Варисторы

Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы с токопроводящим элементом, выполненным из карбида кремния и керамического связующего материала. Некоторые полупроводниковые варисторы предназначены для применения в микросхемах.

Схема включения варистора приведена на рис. 6, а. С увеличением
приложенного напряжения сопротивление варистора уменьшается, а ток, протекающий в цепи, нарастает. Основной особенностью варистора является нелинейность его вольт амперной характеристики (рис. 6, б), которая объясняется явлениями, происходящими на контактах и на поверхности кристаллов карбида кремния. Также применяют оксид цинка, имеющий больший коэффициент нелинейности, однако менее стабилен в работе.

При повышении напряжения, приложенного к варистору, возникает напряженность электрического поля между отдельными кристаллами. Это сопровождается электростатической эмиссией с острых зубцов и граней кристаллов карбида кремния. Одновременно происходит пробой оксидных пленок, образующихся на поверхности кристаллов, а также микронагрев контактных точек между кристаллами.

Рис.6. Схема включения (а) и типовая вольт амперная

характеристика варистора (б)

Все это приводит к повышению проводимости варистора, причем полярность приложенного напряжения существенного значения не имеет — нелинейный рост тока через прибор наблюдается при повышении напряжения любой полярности. Так как вольт амперная характеристика симметрична, варистор может быть использован в цепях и постоянного, и переменно тока.

Основные параметры варисторов:

Статическое сопротивление R_ст — значение сопротивления варистора при постоянных величинах тока и напряжения:

Динамическое сопротивление R_Д — сопротивление варистора
переменному току:

Динамическое сопротивление в данной точке вольтамперной характеристики может быть определено по тангенсу угла наклона касательной к вольтамперной характеристике.

Коэффициент нелинейности β — отношение статического сопротивления в выбранной точке вольтамперной характеристики к динамическому сопротивлению в этой же точке:

Величина β положительна. Для выпускаемых в настоящее время варисторов она имеет значение порядка 2...6 в зависимости от типа и номинального напряжения варистора.

Показатель нелинейности α — величина, обратная коэффициенту не линейности:

В широком диапазоне напряжений и токов выражение для вольтамперной характеристики варистора может быть представлено в виде:

где А и В — постоянные коэффициенты, связанные между собой соотношением:

В = А^-1/α = А^-β.

Классификационное напряжение – напряжение на варисторе при данном значении тока.

Классификационное напряжение не является рабочим эксплуационным напряжением варистора, которое выбирают исходя из допустимой мощности рассеивания варистора и значения допустимой амплитуды напряжения. Допустимая амплитуда импульсного напряжения обычно указывается в технических условиях на варистор.

Классификационный ток — ток, при котором определяют классификационное напряжение варистора.

Температурный коэффициент тока — характеризует изменение (повышение) электропроводности варистора с ростом температуры:

где I₁ — ток при температуре t₁ равной 20 ± 2 °С; I₂ — ток при температуре t ₂, равной обычно 100 ± 2 °С.

Допустимая мощность рассеивания — мощность, при которой варистop сохраняет свои параметры в заданных техническими условиями пределах в течение срока службы.

Современные варисторы используются в разнообразных электрических схемах: для защиты приборов и элементов схем от перенапряжений; стабилизации напряжения и тока; регулирования и преобразования электрических сигналов.

2. Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочным (или p-n) переходом называют область на границе двух полупроводников, обладающих различными типами проводимости. Толщина электронно-дырочного перехода обычно достигает от 100 нм до 1 мкм. Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт которого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина p-n перехода – десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряжённости электрического поля – на границе раздела.

Рис.7. Энергетическая диаграмма p-n-перехода.

a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением.

Если же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространственного заряда, то это приведет лишь к увеличению областей пространственного заряда, и ток через p-n-переход не идёт. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением. Между областями полупроводника, разделенными обедненным слоем, возникает некоторая разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов. Протекающий ток неосновных носителей, вызванный наличием электрического поля в переходе называется дрейфовым током p-n перехода. Дрейфовый ток направлен навстречу диффузионного. Когда внешнее напряжение не приложено, то дрейфовый ток равен диффузионному и общий ток через p-n переход равен нулю.

Энергетическая диаграмма показана на рис.7.

Нужно отметить, что области полупроводника уподобляются пластинам конденсатора, а обедненный слой между ними – диэлектрическому слою. p-n переход характеризуется определенной емкостью зависящей от площади контакта и ширины обедненного слоя.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, содержащий один электронно-дырочный переход.

К р- и n-областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металличе­ский, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый кор­пус.

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая бо­лее высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, — базой. Если эмиттером является р-область, для которой основными носителями заряда служат дырки р_р, а ба­зой n-область (основные носители заряда —электроны п_п), то вы­полняется условие: р_р» n_n .

К основным свойствам p-n перехода относятся: свойство односторонней проводимости; температурные свойства p-n перехода; частотные свойства p-n перехода; пробой p-n перехода.

ВАХ описывается выражением:

(2.2.)

где Uд —напряжение на р-п-переходе; φ_г = κΤ/q — тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов φ_к на границе р-п-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т= 300 К, φ_г = 0,025 В); k — постоянная Больцмана; Т—абсолютная темпе­ратура; q — заряд электрона, I₀ – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда.

При отрицательных напряжениях порядка 0,1 ...0,2 В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно прене­брегать (е ^-4 ≈0,02), при положительных напряжениях, превышаю­щих 0,1 В, можно пренебрегать единицей {e⁴ ≈ 54,6), поэтому ВАХ, описываемая этими выражениями, будет иметь вид, приведенный на рис.8.

Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтамперной характеристике (рис.8). При увеличении прямого напряжения прямой ток изменяется по экспоненциальному закону. При этом температура также влияет на расположение кривой ВАХ.

Рис.8. ВАХ идельного p-n перехода.

Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что p-n переход проводит ток только в одну сторону.

Пробой p-n перехода (рис.9). Iобр = - Io

Рис.9. ВАХ реального p-n перехода.

При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока.

Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода. Электрический пробой – это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения p-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счёт теплового действия тока и p-n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем p-n перехода. Тепловой пробой необратим.

Нужно отметить, что протяженность реального р-п-перехода также не бесконечна. Поверхность полупроводникового кристалла характеризуется дефектами кристаллической решетки и различными загрязне­ниями, что обусловливает рекомбинационно-генерационные про­цессы на поверхности p-n-перехода и приводит к появлению допол­нительного тока — тока утечки I_ут. Таким образом, обратный ток реального диода равен:

При нарушениях технологического процесса, когда появляется возможность попадания различных загрязнений на поверхность полупроводникового диода, ток утечки может составлять основную часть обратного тока диода, значительно превышая токи I_ген и I₀ и даже шунтируя p-n-переход.