ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 4 страница

Для предотвращения глубокого насыщения базы транзистора неосновными носителями заряда между коллектором и базой транзистора включают диод. При отпирании транзистора, когда потенциал коллектора становится меньше потенциала базы, этот диод оказывается смещён в прямом направлении и шунтируя переход база коллектор препятствует инжекции носителей заряда из коллектора в базу. Чем меньше прямое падение напряжения на диоде, при достаточно большом прямом токе, тем меньше инжекция из коллектора в базу и тем меньше накопленный в базе зеряд, а следовательно и время рассасывания этого заряда . Так как прямое падение напряжения (при одинаковых входных токах) у германиевых диодов приблизительно в два раза меньше( ), чем у кремниевых ( ), то германиевые диоды лучше подходят для этой цели. Однако в 60х-70х годах были разработаны диоды Шоттки, имеющие очень высокое быстродействие, и очень малое прямое падение напряжения при достаточно больших прямых токах.

Диоды и транзисторы Шоттки.

Процессы в диодах Шоттки существенно отличаются от процессов в обычных диодах. В основу диода Шоттки положен контакт между полупроводником и проводником(металлом). Здесь нет p-n перехода. Такой контакт может быть выпрямляющим или невыпрямляющим, в зависимости от соотношения уровней Ферми в металле и полупроводнике. Выпрямляющий контакт металла с p-полупроводником образуется если . При таком контакте электроны, соодержащиеся в металле в избытке по отношению к p-полупроводнику, переходят из металла в p-полупроводник. Поверхность металла заряжается положительно, а поверхностный слой полупроводника, обеднённый основными носителями заряда(дырками), отрицательно. Другой тип выпрямляющего контакта металла с n-полупроводником образуется если .

Электроны, в избытке содержащиеся в n-полупроводнике, переходят в металл и заряжают его поверхность отрицательно, а поверхностный слой полупроводника, обеднённый основными носителями заряда(электронами), приобретает положительный заряд. Следовательно, в обоих случаях, в равновесном состоянии, проводимость поверхностного слоя полупроводников сильно уменьшается, приближаясь к собственной проводимости. На границе раздела в равновесном состоянии образуется потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему переходу электронов из металла в p-полупроводник, или из n-полупроводника в металл.

При других соотношениях уровней Ферми в металле и полупроводнике или образуются невырпрямляющие(омические) контакты, которые используются для выполнения выводов полупроводниковых приборов.

Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки.

Если подключить внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к p-полупроводнику, потенциальный барьер на границе раздела возрастёт, сопротивление поверхностного слоя увеличится, увеличится полное сопротивление контакта. Следовательно будет ограничена величина тока. При другой полярности (-) к металлу, (+) к p-полупроводнику, внешнее напряжение компенсирует потенциальный барьер, сопротивление поверхностного слоя полупроводника, а следовательно контакта в целом, резко уменьшается и величина тока может достигать очень больших значений. Очевидно, что обратные рассуждения относительно полярности прямого и обратного напряжений справедливы для контакта металл-n-полупроводник.

Параметры диодов Шоттки.

Падение напряжения при прямом смещении у диодов Шоттки значительно меньше, чем у диодов с p-n переходом, а обратные токи больше на несколько порядков: , где -граничная концентрация носителей в равновесном состоянии, -средняя тепловая скорость носителей заряда, -площадь контакта.

Отсутствие p-n перехода означает отсутствие инерционных процессов инжекции, диффузии, накопления зарядов в базе диода, их рассасывания, поэтому диоды Шоттки обладают очень высоким быстродействием, которое определяется в основном только барьерной ёмкостью контакта. Современные диоды Шоттки имеют прямые токи до 100А, обратные напряжения до 1000В, время переключения до 0,1нсек., диапазон рабочих частот до 15ГГц. Замечательной особенностью диодов Шоттки является чисто экспоненциальная зависимость или логарифмическая , в очень широком диапазоне изменения токов от 10^-12 до 10^-4 А, что позволяет использовать их в логарифмирующих и потенцирующих устройствах.

Транзисторы Шоттки.

Это быстродействующие ключевые транзисторы со встроенным между коллектором и базой диодом Шоттки. Вследствие малого прямого падения напряжения на диоде Шоттки транзистор практически не входит в насыщение. Этим обеспечивается малое время рассасывания избыточного заряда в базе. Транзисторы Шоттки широко используются для построения быстродействующей серии микросхем типа ТТЛШ.

Дрейфовые транзисторы.

Основная особенность дрейфовых транзисторов, по отношению к бездрейфовым, заключена в неоднородном распределении примесей вдоль базы. Ионы примеси создают электрическое поле вдоль базы, которое (для p-n-p транзистора) направлено от эмиттера к коллектору. Следовательно дырки, инжектированные в базу перемещаются к коллекторному переходу не только вследствие диффузии, но и под действием поля в базе.

Во первых, это значительно сокращает время пролёта носителей заряда в базе, следовательно увеличивается бысродействие транзистора. Во вторых,

резко уменьшается рекомбинационная составляющая тока базы, а следовательно и весь ток базы, т.е. существенно увеличивается коэффициент передачи тока и .

В третьих, поскольку вблизи коллекторного перехода база оказывается высокоомной, коллекторный переход существенно расширяется вглубь базы, что приводит к значительному уменьшению коллекторной ёмкости, и также улучшает частотные свойства транзистора.

Предельные частоты современных дрейфовых транзисторов доходят до значений десятков ГГц, при отдаваемой мощности порядка 10Вт, а в импульсном режиме времена нарастания и спада импульса коллекторного тока, составляют величину порядка 1нсек.

Трёхпереходные полупроводниковые приборы - динистор и тиристор.

Так называются четырёхслойные полупроводниковые приборы с тремя p-n переходами, с чередующейся электропроводностью полупроводников, имеющие S образную ВАХ.

Динистор. Если подключить к такой структуре напряжение , в указанной на рис. полярности, то оба крайних ( p₁-n₁ и p₂-n₂ ) перехода будут смещены в прямом направлении, а средниий ( p₂-n₁ ) переход в обратном. Величина тока в цепи будет ограничена небольшим обратным током этого перехода. При увеличении внешнего напряжения растёт ток , а поскольку он является общим для всех переходов, увеличивается инжекция через эмиттерные переходы, что приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда в областях n₁ и p₂. Это приводит к ещё большему увеличению обратного тока этого(среднего) перехода, следовательно к ещё большему увеличению инжекции через эмиттерные(крайние) переходы. При некотором напряжении

процесс приобретает лавинный характер, происходит лавинный пробой среднего ( p₂-n₁) перехода. При ток стремится к бесконечности, что привело бы к неизбежному разрушению прибора. Поэтому динистор и тиристор нельзя включать под напряжение без ограничительного резистора(сопротивления нагрузки). Начиная с момента резкого увеличения тока, области n₁ и p₂ настолько насыщаются основными носителями заряда, что это приводит к полной компенсации объёмного заряда ионов примеси, образующих переход p₂-n_1. Этот переход смещается в прямом направлении, поэтому суммарное падение напряжения между анодом и катодом динистора значительно меньше суммы падений напряжений на прямо смещённых эмиттерных (крайних) переходах. Выключить динистор можно только отключив внешнее напряжение.

Тиристор. Все процессы, описаные выше, относятся и к тиристору. Однако у тиристора имеется вывод базы одного из транзисторов, называемый управляющим электродом. Изменяя величину тока этого электрода можно изменять величину напряжения при котором происходит лавинный пробой среднего перехода.