Диод в состоянии покоя, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод - самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного P-N перехода. Основная его функция - это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном.

Диод в состоянии покоя, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

В части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате соприкосновения p-n частей на межатомное расстояние, заряды разных знаков проникают в соседнюю часть и образуют электрическое поле, направленное навстречу движению основных зарядов полупроводников, контактную разность потенциалов. Величина этого барьера зависит от материала полупроводника, концентрации примесей и температуры. Если небольшая часть основных носителей все же проникает через барьер и образует диффузионный ток, то он уравновешивается током неосновных носителей (дрейфовым), для которых барьер является, наоборот, ускорителем. Эти токи в состоянии покоя перехода уравновешиваются (величина их мала - наноамперы).

Обратное включение диода

Подключим источник питания - плюс к катоду, минус к аноду. Электроны из N-области начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P-области будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. Переход расширяется, контактная разность потенциалов увеличивается, сопротивление перехода для основных носителей возрастает. Ток неосновных носителей немного увеличивается.

Барьерная емкость p-n-перехода. Заряды по обе стороны р-n-перехода, разделенные контактной разностью потенциалов перехода, образуют емкость Cбар = Q/Uк. Эта емкость является предметом изучения 2-й лабораторной работы, поскольку широко используется в технике.

Пробой (явление паразитной проводимости)в n – р – переходе.

1. Тепловой пробой – возникает при обратном включении n – р – перехода при нарушении теплового баланса, когда приток тепла за счёт прохождения тока превышает его отвод, при этом повышается температура, следовательно увеличивается обратный ток, что приводит также к повышению температуры. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, прибор приходит в негодность.

2. Лавинный пробой, возникает при достаточно большом обратном напряжении, больше критического для данного материала. При этом электрон на длине свободного пробега приобретает энергию достаточную для ионизации узлов кристаллической решётки. В результате возникает лавинное размножение носителей зарядов.

3. Туннельный пробой. При приложении достаточно большого обратного напряжения энергетические зоны перехода искривляются на столько, что энергетический уровень валентной зоны становится выше уровня проводимости. В результате возможен переход носителей заряда из одной области в другую, практически без потребления энергии.

Туннельный и лавинные пробои при ограничении тока не являются необратимыми, т.е. не приводят к разрушению n – р – перехода.

Обратная ветвь вольт – амперного перехода при лавинном и туннельном пробоях

Рис.

	Рис. Энергетическая диаграмма при пробоях

 

Прямое включение диода

Меняем полярность источника питания - плюс к аноду, минус к катоду. Внешнее напряжение уменьшает барьер до его полного исчезновения. Отрицательно заряженные электроны от минуса движутся в сторону p-n перехода, положительно заряженные дырки от плюса направляются навстречу электронам. Встретившись на переходе, малая часть из них рекомбинирует (заполняет место в атомах, где не хватает электрона), остальные устремляются к своему полюсу батарейки. Сопротивление основным носителям резко падает, диффузионный ток I_D резко возрастает.

Недостатки реального полупроводникового диода:

- при прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения V_ϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов V_ϒ - это примерно 0.75V, а для германиевых - около 0.4V.

- при обратном подключении напряжения в реальном диоде возникает маленький ток, измеряемый в микро или наноамперах.

- любому включению диода сопутствует паразитная емкость.

SPICE параметры диодов

Обозначение Название Параметр Единицы измерения Значение по умолчанию I_S IS Ток насыщения (диодное уравнение) А 1E-14 R_S RS Паразитное сопротивление (последовательное сопротивление) Ом 0 n N Коэффициент эмиссии, от 1 до 2 – 1 t_D TT Время переноса заряда с 0 C_D(0) CJO Емкость перехода при нулевом смещении Ф 0 φ₀ VJ Контактная разность потенциалов перехода В 1 m M Коэффициент плавности перехода – 0,5     0,33 для линейно леггированнного перехода         0,5 для лавинного перехода     E_g EG Ширина запрещенной зоны эВ       Si (кремний) эВ 1,11     Ge (германий) эВ 0,67     Шоттки эВ 0,69 p_i XTI Температурный экспоненциальный коэффициент тока насыщения – 3,0     pin переход – 3,0     Шоттки – 2,0 k_f KF Коэффициент фликер-шума – 0 a_f AF Показатель степени в формуле фликер-шума – 1 FC FC Коэффициент емкости обедненной области при прямом смещении – 0,5 BV BV Обратное напряжение пробоя В ∞ IBV IBV Обратный ток пробоя А 1E-3

 

SPICE параметры некоторых диодов: sk = Шоттки, Ge = германий, остальные = кремний
Элемент	IS	RS	N	TT	CJO	M	VJ	EG	XTI	BV	IBV
По умолчанию	1E-14	0	1	0	0	0.5	1	1.11	3	∞	1m
1N5711 sk	315n	2.8	2.03	1.44n	2.00p	0.333	-	0.69	2	70	10u
1N5712 sk	680p	12	1.003	50p	1.0p	0.5	0.6	0.69	2	20	-
1N34 Ge	200p	84m	2.19	144n	4.82p	0.333	0.75	0.67	-	60	15u
1N4148	35p	64m	1.24	5.0n	4.0p	0.285	0.6	-	-	75	-
1N3891	63n	9.6m	2	110n	114p	0.255	0.6	-	-	250	-
10A04 10A	844n	2.06m	2.06	4.32u	277p	0.333	-	-	-	400	10u
1N4004 1A	76.9n	42.2m	1.45	4.32u	39.8p	0.333	-	-	-	400	5u
1N4004 тех.описание	18.8n	-	2	-	30p	0.333	-	-	-	400	5u

где IS -обратный ток насыщения, RS – последовательное сопротивление, N - коффициент эмиссии (неидеальности), TT – параметр, называемый временем пролета, CJO – барьерная емкость при нулевом смещении на p–n-переходе, коэффициент M - для резкого перехода равен ½, для линейного – ⅓), VJ – контактная разность потенциалов перехода, EG – ширина запрещенной зоны(1,11 кремний, 0,67 – германий), XTI –температурный коэффициент тока насыщения, BV – напряжение пробоя, IBV – ток начала «излома» ВАХ диода в области пробоя.

 

На этапе моделирования электрической схемы БИС существует острая необходимость в точных и компактных SPICE-моделях диодов, масштабируемых по топологическим параметрам во всем диапазоне значений, предусмотренных правилами проектирования для конкретного технологического процесса.

DIODE–стандартная SPICE-модель кремниевого диода на основе p-n-перехода. Данная модель поддерживается рядом программ САПР (Multisim, Spectre (Cadence)), и включает в себя две модели: level-1 и level-2. Модель level-1описывает прямую и обратную ВАХ, пробой, паразитное сопротивление, барьерную и диффузионную емкости, емкость перекрытия и шумы. Модель level-2 используется для моделирования туннельного тока по Фаулеру в очень тонких слоях диэлектриков, таких как диоксид кремния.

 

Рис.4. Переходные процессы для высокого уровня инжекции

Рис.4. Переходные процессы при включении диода (высокий уровень инжекции):

а – входной импульс; б – форма изменения напряжения на р-n переходе; в – форма изменения напряжения на базе; г – форма изменения выходного напряжения.

По мере протекания прямого тока в областях, примыкающих к p-nпереходу, на расстоянии порядка одной-двух диффузионных длин, концентрация подвижных носителей заряда увеличивается. Это приводит к уменьшению удельного сопротивления базы и снижению полного сопротивления базы до величины r _БМ (модулированное сопротивление базы). При этом уменьшается падение напряжения на сопротивлении базы, как показано на рисунке 4, в. Выброс напряжения при скачке тока указывает на индуктивный характер входного сопротивления диода. Форма изменения полного напряжения на диоде U _д= U _pn+ U _Б для высокого уровня инжекции показана на рисунке 4, г.

 

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод - самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного P-N перехода. Основная его функция - это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном.

Диод в состоянии покоя, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

В части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате соприкосновения p-n частей на межатомное расстояние, заряды разных знаков проникают в соседнюю часть и образуют электрическое поле, направленное навстречу движению основных зарядов полупроводников, контактную разность потенциалов. Величина этого барьера зависит от материала полупроводника, концентрации примесей и температуры. Если небольшая часть основных носителей все же проникает через барьер и образует диффузионный ток, то он уравновешивается током неосновных носителей (дрейфовым), для которых барьер является, наоборот, ускорителем. Эти токи в состоянии покоя перехода уравновешиваются (величина их мала - наноамперы).

Обратное включение диода

Подключим источник питания - плюс к катоду, минус к аноду. Электроны из N-области начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P-области будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. Переход расширяется, контактная разность потенциалов увеличивается, сопротивление перехода для основных носителей возрастает. Ток неосновных носителей немного увеличивается.

Барьерная емкость p-n-перехода. Заряды по обе стороны р-n-перехода, разделенные контактной разностью потенциалов перехода, образуют емкость Cбар = Q/Uк. Эта емкость является предметом изучения 2-й лабораторной работы, поскольку широко используется в технике.

Пробой (явление паразитной проводимости)в n – р – переходе.

1. Тепловой пробой – возникает при обратном включении n – р – перехода при нарушении теплового баланса, когда приток тепла за счёт прохождения тока превышает его отвод, при этом повышается температура, следовательно увеличивается обратный ток, что приводит также к повышению температуры. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, прибор приходит в негодность.

2. Лавинный пробой, возникает при достаточно большом обратном напряжении, больше критического для данного материала. При этом электрон на длине свободного пробега приобретает энергию достаточную для ионизации узлов кристаллической решётки. В результате возникает лавинное размножение носителей зарядов.

3. Туннельный пробой. При приложении достаточно большого обратного напряжения энергетические зоны перехода искривляются на столько, что энергетический уровень валентной зоны становится выше уровня проводимости. В результате возможен переход носителей заряда из одной области в другую, практически без потребления энергии.

Туннельный и лавинные пробои при ограничении тока не являются необратимыми, т.е. не приводят к разрушению n – р – перехода.

Обратная ветвь вольт – амперного перехода при лавинном и туннельном пробоях

Рис.

	Рис. Энергетическая диаграмма при пробоях

 

Прямое включение диода

Меняем полярность источника питания - плюс к аноду, минус к катоду. Внешнее напряжение уменьшает барьер до его полного исчезновения. Отрицательно заряженные электроны от минуса движутся в сторону p-n перехода, положительно заряженные дырки от плюса направляются навстречу электронам. Встретившись на переходе, малая часть из них рекомбинирует (заполняет место в атомах, где не хватает электрона), остальные устремляются к своему полюсу батарейки. Сопротивление основным носителям резко падает, диффузионный ток I_D резко возрастает.

Недостатки реального полупроводникового диода:

- при прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения V_ϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов V_ϒ - это примерно 0.75V, а для германиевых - около 0.4V.

- при обратном подключении напряжения в реальном диоде возникает маленький ток, измеряемый в микро или наноамперах.

- любому включению диода сопутствует паразитная емкость.