17. Емкости в p-n-переходе.
Принято говорить об общей емкости диода Сд , измеренной между выводами диода при заданном напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости С6 , диффузионной емкости Сдиф и емкости корпуса прибора Ск.
Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенными по обе стороны от границы р-n-перехода.
Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.
Выражение для зависимости барьерной емкости от напряжения на переходе имеет вид:
где S-площадь поперечного сечения перехода, С0-величина барьерной емкости при нулевом напряжении на переходе U=0. U-обратное напряжения на переходе.
Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости. Величина диффузионной емкости пропорциональна прямому току перехода:
rэф— эффективное время жизни неосновных носителей.
Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении —
1 8. Устройство полупроводниковых диодов. Классификация диодов по частоте, мощности, по назначению.
Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор с одним (или несколькими) выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами для подключения к внешней цепи. Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в p-n-переходе.
В зависимости от технологических процессов, используемых при изготовлении диодов, различают: сплавные, диффузионные, планарно-эпитаксиальные диоды и их разновидности. Устройство полупроводникового диода, изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии, приведено на рис. 1.
Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. В качестве структурных элементов диодов используют также p-n-, n-p-переходы, переходы металл-полупроводник, p+-p-, p+-n-переходы, гетеропереходы. Вся структура с электрическим переходом заключается в металлический, стеклянный, керамический или пластмассовый корпус для исключения влияния окружающей среды. Полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. Основным элементом полупроводникового диода является р-n-переход, поэтому вольтамперная характеристика реального диода близка к вольтамперной характеристике р-n-перехода.Параметры и режим работы диода определяются его вольтамперной характеристикой, иллюстрирующей зависимость протекающего через диод тока I от приложенного напряжения U. Типовая вольтамперная характеристика прибора.
Диоды классифицируются:
по назначению: выпрямительные(предназначен для преобразования переменного тока в пульсирующий), импульсные(предназ.для работы в импульсных и цифровых устройствах), стабилитроны(предназ. для стабилизации напряжения ), варикап и т.д
по диапазону частот:низко- и высокочастотные,СВЧ
п 
о мощности: диоды малой мощности (Iпр. max ≤ 0,3 А), средней мощности(0,3 А ≤ Iпр. max ≤ 10 А), большой мощности (Iпр. max> 10 А).
Емкости диода.
Полупроводниковый диод обладает емкостными свойствами, т.е. способностью накапливать и соответственно отдавать заряд при увеличении или уменьшении приложенного напряжения. Накопление заряда происходит в переходе и базе диода, в соответствии с этим различают две емкости диода — барьерную и диффузионную. При этом:
Барьерная емкость
Для резкого p + -n-перехода объемный заряд в переходе
При изменении напряжения на переходе изменяется его толщина, а следовательно, и заключенный в переходе нескомпенсированный заряд, что и обусловливает емкостный эффект. Барьерной емкостью (емкостью перехода) называют отношение приращения заряда на переходе dQд к вызвавшему его приращению напряжения du:
Отсюда следует, что барьерная емкость пропорциональна площади перехода П и возрастает при увеличении концентрации примесей. Кроме того, она зависит от напряжения перехода, т. е. является нелинейной емкостью. Обозначим начальное значение барьерной емкости (при u=0) через
Тогда общее выражение (*) можно записать в виде
График зависимости Cб/C0=f(u)для диода с резким переходом
представлен на рис (кривая Б). Из рисунка видно, что при увеличении обратного напряжения емкость перехода падает. Упрощенно эту зависимость можно пояснить следующим образом. Полупроводниковая p-n-структура представляет собой как бы электрический конденсатор, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком — электронно-дырочный переход, практически не имеющий подвижных зарядов. При увеличении обратного напряжения толщина перехода возрастает, обкладки конденсатора как бы раздвигаются и емкость его падает.
Соотношение (**) справедливо только для структур с резким переходом. В общем случае зависимость емкости от приложенного напряжения может быть записана в виде
где лежит в пределах от 1/2 до 1/3 в зависимости от концентрационного профиля перехода.
Значения С0 в тонких переходах могут доходить до 300—600 пФ, а изменение емкости при изменении напряжения может быть десятикратным.
Емкость диода на что влияет
Диод, по сути, одиночный p-n переход. Если он подключен с прямым смещением, то ток через него течет, а если с обратным — не течет (на самом деле, небольшой дрейфовый ток все равно остается, но этим можно пренебречь). Этот принцип показан в условном обозначении диода: если ток направлен по стрелке треугольника, то ему ничего не мешает, а если наоборот — то он «натыкается» на вертикальную линию. Эта вертикальная линия на диодах-радиоэлементах обозначается широкой полосой у края.
- Выпрямление пременного тока. Основано оно именно на свойстве диода «запираться» при обратном смещении. Диод как бы «срезает» отрицательные полуволны.
- В качестве переменной емкости. Эти диоды называются варикапами.
Здесь используется зависимость барьерной емкости перехода от обратного смещения. Чем больше его значение, тем шире обедненная область p-n перехода. Ее можно представить себе как плоский конденсатор, обкладками которого явялются границы области, а сама она выступает в качестве диэлектрика. Соответственно, чем толще «слой диэлеткрика», тем ниже барьерная емкость. Следовательно, изменяя приложенное напряжение можно электрически менять емкость варикапа. - Для стабилизации напряжения. Принцип работы таких диодов заключается в том, что даже при значительном увеличении внешнего падения напряжения, падение напряжения на диоде увеличится незначительно. Это справедливо и для прямого, и для обратного смещений. Однако напряжение пробоя при обратном смещении намного выше, чем прямое напряжение диода. Таким образом, если нужно поддерживать стабильным большое напряжение, то диод лучше включать обратно. А чтобы он сохранял работоспособность, несмотря на пробой, нужно использовать диод особого типа — стабилитрон.
В прямосмещенном режиме он будет работать подобно обычному выпрямляющему диоду. А вот в обратносмещенном не будет проводить ток до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет так называемого напряжения стабилитрона, при котором диод сможет проводить значительный ток, а напряжение будет ограничено уровнем напряжения стабилитрона. - В качестве «ключа» (коммутирующего устройства). Такие диоды должны уметь очень быстро открываться и закрываться в зависимости от приложенного напряжения.
- В качестве детекторов излучения (фотодиоды).
Кванты света передают атомам в n-области дополнительную энергию, что приводит к появлению большого числа новых пар электрон-дырка. Когда они доходят до p-n перехода, то дырки уходят в p-область, а электроны скапливаются у края перехода. Таким образом, происходит возрастание дрейфового тока, а между p- и n-областями возникает разность потенциалов, называемая фотоЭДС. Величина ее тем больше, чем больше световой поток. - Для создания оптического излучения (светодиоды).
При рекомбинации дырок и электронов (прямое смещение) происходит переход последних на более низкий энергетический уровень. «Излишек» энергии выделяется в виде кванта энергии. И в зависимости от химического состава и свойств того или иного полупроводника, он излучает волны того или иного диапазона. От состава же зависит и эффективность излучения.
Не стоит забывать о том, что p-n переход — одно из явлений микромира, где правит балом квантовая физика и становятся возможными странные вещи. Например, туннельный эффект — когда частица может пройти через потенциальный барьер, обладая меньшей энергией. Это становится возможным благодаря неопределенности соотношения между импульсом и координатами частицы (привет, Гейзенберг!). Этот эффект лежит в основе туннельных диодов. 
Чтобы обеспечить возможность «просачивания» зарядов, их делают из вырожденных полупроводников (содержащих высокую концентрацию примесей). В результате получают резкий p-n переход с тонким запирающим слоем. Такие диоды маломощные и низкоинерционные, поэтому их можно применять в СВЧ-диапазоне.
Есть еще одна необычная разновидность полупроводниковых диодов — диоды Шоттки. 
В них используется не традиционный p-n переход, а переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки. Барьер этот возникает в том случае, когда разнятся величины работы выхода электронов из металла и полупроводника. Если n-полупроводник имеет работу выхода меньше, чем контактирующий с ним металл, то приграничный слой металла будет заряжен отрицательно, а полупроводника — положительно (электронам проще перейти из полупроводника в металл, чем наоборот). Если же у нас контакт металл/p-полупроводник, причем работа выхода для второго выше, чем для первого, то получим положительно заряженный приграничный слой металла и отрицательно заряженный слой полупроводника. В любом случае, у нас возникнет разность потенциалов, с помощью которой работы выхода из обоих контактирующих веществ сравняются. Это приведет к возникновению равновесного состояния и формированию потенциального барьера между металлом и полупроводником. И так же, как и в случае p-n перехода, к переходу металл/полупроводник можно прикладывать прямое и обратное смещение с аналогичным результатом.
Диод. Часть 2. Немного о конструкции и принципах
▌Конструкция
Диод делают из полупроводников. Вообще, изначально, полупроводниковые материалы, такие как кремний или германий ток проводят довольно хреново. У них электроны крепко держатся двумя молекулами сразу и требуется довольно большая энергия чтобы их вырвать.
Если полупроводник нагреть, облучить, подать высокое напряжение, чтобы образовалось мощное поле, которое потащит электроны, то из кристаллической решетки будет вырван электрон и будет он болтаться свободно среди молекул.
А там где он был, образуется дырка. Дырка означает не скомпенсированную электроном связь, положительно заряженную область. Сдернуть электрон из ближайшего атома в соседнюю дырку куда проще, чем просто вырвать его из решетки. При этом дырка будет уже у соседнего атома, ведь электрон то надо откуда то вырвать.
По сути, дырку можно считать положительно заряженной частицей. Потому как под действием поля дырки также мотает по всему кристаллу как и электроны. Хотя они и менее подвижные, т.к. на перемещение дырки надо больше энергии чем на перемещение электрона.
Ну вот, есть у нас такой прикольный материал у которого сопротивление зависит от приложенной к нему энергии. И что дальше?
А самое веселое начинается когда в полупроводник добавляют примеси за счет которых можно либо добавить дырок, либо свободных электронов. Накидав в кристаллическую решетку атомов с тремя или с пятью свободными электронами соответственно.
Получаются проводники p и n типа. В p — есть лишние дырки (positive), а в n — лишние электроны (negative).
Осталось только слепить два таких разнопроводимых кристалла вместе, чтобы получился pn переход. И мы получили диод. Суть в чем:
Когда ток подается вот так:
Т.е. к p-кристаллу мы подаем положительный потенциал, а на n-кристалл отрицательный, то дырки и электроны поведут себя как и подобает приличным электрическим зарядам — отталкиваясь от себе подобных и притягивясь к противоположности.
В p-кристалле электроны неудержимо потянет в плюсовой провод, следовательно дырки ломанутся в центр.
А в n-кристалле электроны из минусового провода, от источника питания, ломанутся к плюсу, тоже в центр. В центре электроны из n-кристалла запрыгнут в дырки p-кристалла и поскачут дальше к минусу (это называется рекомбинация). Т.е. через диод пойдет ток. И чем больше напряжение, тем больше дырок будет сдвигать и больше будет ток. Причем зависимость эта будет не линейная, а скорей параболическая.
Окей. С этим все понятно. Берем и меняем полярность. Что произойдет? А все то же самое, только направление движения зарядов изменится.
В p-кристалле электроны побегут в центр, значит дырки утащит к минусовому проводу, где они и останутся зиять, т.к. в металле проводника пути для них нет.
А в n-кристалле усосет все свободные электроны в источник питания. И тоже останется пустота. А, как я уже говорил, полупроводник в котором нет свободных зарядов, это хреновый проводник. Почти диэлектрик. И вот, собственно, на этом месте диод и перестает проводить ток в обратном направлении.
▌Фотодиод
Но при этом свойства полупроводника в зоне откуда убежали все свободные заряды никуда не деваются. Если полупроводник облучить, то в нем таки возникнут свободные заряды и он будет проводить ток. Так работает, например, фотодиод. Помните его схему включения?
Вот диод стоит себе в обратном направлении, сопротивление у него огромное, намного больше подтягивающего резистора и на ноге при этом возникает положительный потенциал от подтяжки. Но стоит ему засветить, как его тотчас прорывает за счет того, что его кристалл чувствителен к свету и свет из него легко выбивает заряды. Но, на самом деле, у фотодиода характеристика ВАХ еще более интересна:
Если рассмотреть его поквадрантно. То на нулевом освещении (самый верхний график) он ведет себя почти как обычный диод. Чуток травит назад, совсем мало. А прямая проводимость по той же параболе. А вот при увеличении освещения начинается самое интересное. Ну, во первых, у него резко возрастает обратный ток. Чем ярче на него светим, тем сильней. Но самое интересное это квадрант D. Если посмотреть на график, то при прямом напряжении мы имеем… обратный ток.
Т.е. фотодиод является источником энергии. Генерирует обратный ток и до поры до времени сопротивляется внешнему источнику питания. В конце концов, тот конечно его перебарывает и график уходит в квадрант А.
▌Стабилитрон
Или вот, например, стабилитрон. Тоже девайс работает в обратку. Тоже, по сути, вполне себе добропорядочный диод.
Стоит себе не пропускает, ну кроме тех случаев, когда поле (А напряженность поля напрямую зависит от напряжения. Ваш К.О.) оказывается столь сильно, что вырывает из полупроводника заряды сами по себе. И тогда он начинает подтравливать ток. Но только до тех пор, пока напряжение на нем не снизится до некого предельного уровня. Уровень этот и определяет напряжение которое стабилитрон будет стабилизировать. Причем чем больше напряжение, тем больший ток через него будет стравливаться, стараясь это напряжение удержать.
Примерно как клапан ограничения давления на паровом котле. Стоит там пружина с уставкой на давление в 5 очков, и все что выше 5 очков травит наружу.
То есть любой диод может пробивать в обратном направлении, при превышении определенного потенциала. И этот пробой является обратимым. При условии что ток при нем не был настолько большим, чтобы выделить тепло достаточное для уничтожения кристалла. Поэтому на стабилитроне и нужен резистор.
А то слишком большой ток через него потечет и он сдохнет, а так получается своего рода делитель напряжения, в котором нижнее плечо автоматом подстраивается так, чтобы на выходе было напряжение на которое заточен стабилитрон.
▌Емкость диода
Вообще, если рассматривать диод более детально, то у него есть емкость (хотя чего это я, у всего в мире есть емкость, даже у индуктивности 😉 ) и более приближенная к реальности схема диода выглядит так:
Но тут есть один нюанс. У этой емкости две природы. Когда диод пропускает в одну сторону, то у него заряжается диффузионная емкость. Т.е. кристаллы диода насыщается неосновыми зарядами. Что значит неосновными?
А то, что в p-кристалле, где должно быть, по идее, полно дырок (основных зарядов), при протекании тока от души набивается хренова куча электронов, забивает все излишние дырки, да еще сверху насыпает с горкой.
В противовес, в n-кристалле, мало того, что все электроны лишние (основной заряд) усасывает полем, так еще и дополнительно вырывает из решетки, образуя дырки (неосновной заряд).
И когда напряжение резко меняют на обратное, диод то может и закроется мгновенно, но вот из насыщенных неосновными зарядами областей пока утащит все лишние электроны и дырки, которых там не должно быть, пройдет какое то время, а эти самые неосновные заряды при исходе образуют импульс обратного тока. Короткий, конечно, как иголочка.
Но если у вас частота высокая, то эти короткие импульсы вам могут помех натворить, потребление увеличить, пробить что-нибудь не то и так далее. Диффузионная емкость зависит от прямого тока. Чем больше прямой ток, тем больше неосновных зарядов насуёт в кристаллы.
Небольшое плато — это время на то, пока растащит заряды в области pn перехода. Собственно, время закрытия самого перехода. А вот потом уже идет обычный такой разряд конденсатора — это растаскивает неосновные заряды из основного тела полупроводника. И чем это тело больше, тем дольше их будет оттуда растаскивать.
А когда диод включен обратно, то возникает барьерная емкость.
Если внимательно посмотреть на обратно смещенный диод, на что это похоже?
Два проводника, между ними диэлектрик… Правильно, на конденсатор. Ну и хрен что диэлектрик у этого конденсатора это полупроводник. При определенных условиях он же диэлектрик? Диэлектрик. Значит работать будет.
А еще расстояние между проводящими областями зависит от электрического поля. Подали посильней обратное смещение — дырки и электроны вжались в края — диэлектрический слой увеличился, ослабил поле — уменьшился. А от толщины диэлектрика напрямую зависит емкость этого импровизированного конденсатора. Т.е. барьерная емкость зависит от приложенного обратного напряжения.
Ну и обе емкости зависят от конструктива. Раньше, в советской литературе, было даже четкое деление на плоскостный и точечный диод. Т.е. у плоскостного pn переход был в виде двух плоских областей, способных пропустить через себя большой ток, но обладающих большой емкостью. А у точечного диода переход представлял собой подпружиненную иголочку с покрытием, упирающуюся в кристалл полупроводника. Площадь контакта мала, емкость мала, ток тоже мизерный.
Сейчас я такого деления как то не встречаю. Видать в западной классификации диоды по конструктиву не делят.
▌Варикап
Способность диода образовывать барьерную емкость при обратном смещении и послужило идеей для варикапа. Осталось только сделать такой диод, для которого барьерная емкость была бы максимально стабильной, не зависящей от разных там погодных условий и вуаля.
Т.е. даем отрицательное постоянное смещение, а поверх него переменный сигнал, то меняя смещение можно менять емкостное сопротивление этого конденсатора для этого переменного сигнала. Такую емкость зовут барьерной. Т.к. ее величина зависит от ширины потенциального барьера.
А как это применить тут можно многое придумать. Первое что приходит в голову разные электрически управляемые фильтры или колебательные контура. Вроде такого:
▌Шоттки
Отдельно хочу сказать о диоде Шоттки. Диод Шоттки использует не pn переход двух полупроводников. А переход полупроводник-металл. Получается примерно то же самое, но с рядом особенностей, как то:
- Пониженное падение напряжения. Около 0.2 вольт, в отличии от типичных 0.7 вольт для простого диода.
- Очень низкое время обратного восстановления. Так как в нем в разы меньше скапливаются неосновные заряды, а значит диффузионная емкость очень мала.
Минусы тоже значительные.
- Самый главый минус в том, что у них намного ниже обратное напряжение чем у обычных pn диодов.
- Также есть повышенный обратный ток. Если диод запирается в обратку почти наглухо, то тут ниппель чутка сифонит и чем выше температура, тем больше. Может до единиц, а то и десяток миллиампер (!) доходить. Особенно на мощных диодах с прямыми токами в десятки ампер.
- А еще их обратный пробой не является обратимым. Пробило значит пробило. В помойку, без вариантов.
Вот как то так. Кратенько и по самым основам. Как раз под окончание сессии у студентов 😉
Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.