Раскройте понятие о пробое диода, виды пробоя

ВАХ диода:

Для начала рассмотрим ВАХ идеального диода.

Рисунок 1 — ВАХ идеального диода.

Как видно из графика, диод проводит ток только при прямом напряжении на его выводах (т.е. плюс на аноде, минус на катоде). Ток I0 – это ток насыщения, т.е. максимальный обратный ток, вызванный тепловым дрейфом носителей тока в области p-n перехода, он на несколько порядков меньше прямого тока.

Для любителей формул, можно отметить, что ВАХ идеального диода описывается следующим выражением:

Спойлер

Где:

I0 – ток насыщения.

— тепловой потенциал (е – элементарный заряд электрона, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура).

Однако, в жизни, как известно, не все так просто и приходится постоянно напрягать свой мозг. ВАХ реального диода несколько отличается.

Рисунок 2 — ВАХ реального диода.

Первое отличие – разное напряжение открывания диода (U0), в зависимости от используемого материала полупроводника. Для кремния (Si) оно составляет примерно 0.7 В; для германия (Ge) – 0.3 В.

Второе отличие – другой вид обратной ветви, наличие пробоя p-n перехода.

Обычно выделяют участки электрического (А-Б) и теплового (Б-В) пробоя. Электрический пробой по своей сути нарушает лишь электрическую изоляцию областей p-n перехода, поэтому он является обратимым. Тепловой пробой напротив, нарушает физическую целостность p-n перехода, по сути, он просто выгорает, очевидно, что тепловой пробой является необратимым и приводит в негодность элемент.

Если Вам интересны причины пробоя, то следующий абзац для Вас.

Спойлер

Оптимизация лавинного диода

Рис. №1. Мощный силовой лавинный диод ДЛ153-2000, внешний вид.

Мощные лавинные диоды марки ДЛ153-2000 используются в трехфазных преобразователях, частота, в которых доходит до 500 Гц, они служат для выпрямления напряжения мощных турбогенераторов с мощностью до 320 МВт. Для снижения рабочих температур (допустимое значение 175оС) в длительном (номинальном) режиме и режиме форсировки при частоте 500 Гц необходимо принимать определенные меры. Понижение рабочего ресурса преобразователя и экспоненциальном (пропорциональном значению величины — скорости роста) росте интенсивности отказов из повышения температуры кремниевой структуры.

Рис. №2. Чертеж силового лавинного диода ДЛ153-2000.

В программу исследований по снижению потерь мощности и понижению температуры включены следующие исследования:

Использование радиационных дефектов для легирования кремниевой структуры диода.
Измерение времени жизни носителей заряда способом Лэкса;
Контроль параметров статики и динамики диодов.
Нахождение полной мощности потерь и температурных величин структуры диода с присоединенным охладителем.

Результат исследования оптимизации, с помощью облучения кремниевой структуры полупроводникового прибора с помощью ускоренных электронов, показал улучшение системы параметров. Суммарная мощность потерь уменьшилась во всех рабочих режимах на 37%, а температура понижена на 28%. Результат подтвердил эффективность облучения структуры для получения надежных силовых полупроводниковых приборов.

Лавинно-пролетный диод

Рис. №3. Структура лавинно-пролетного диода.

Разновидность лавинного диода – лавинно-пролетный диод (IMPATT-диод). Он построен на основе лавинного умножения заряженных носителей. Прибор используется для генерации колебаний в СВЧ-диапазоне. Рабочая область прибора – область лавинного пробоя.

Структура состоит из кремния и арсенида галлия (металл-полупроводник) и другие. В базе диода, области заполненной электронами и дырками с неизменным значением тока возникает фаза, которая характеризуется большим значением напряженности поля, она предваряет появление лавинного ударного фронта.

Главный режим лавинно-пролетного диода – режим захваченной плазмы, состояние компенсированной полупроводниковой плазмы. Существует отдельный тип подобных диодов — BARITT-диоды, их характеризует инжекционно-пролетный режим.

Показатели технологического качества для конструкции лавинного диода

Основное преимущество лавинного диода перед выпрямительным в способности восстанавливать параметры в результате больших перенапряжений, в то время как вторые разрушаются и выходят из строя.

Рис. №4. Чертеж с габаритно-присоединительными размерами лавинного диода типа: а) ДЛ152 и б) ДП151.

Требования к качеству конструкции включают:

В процессе изготовления диодов плотность дислокации кремния большого диаметра выше 60 мм, ограничивается до 102см2.
Свирла-дефекты исключаются.
Ограничивается содержание О2 и С в кремнии, который преобразуется в сложные комплексы Si-O и Si-C.
Примесная атмосфера из примесей тяжелых и щелочных металлов на дислокациях существенно уменьшается.
Существующие, так называемые «звездные дефекты», в виде микротрещин появляющихся в результате термической обработки в напряженном кремнии и ухудшающими ВАХ прибора, значительно снижаются.

Рис. №5. Параметры некоторых типов лавинных диодов.

Лавинный пробой

Хотя при обратном смещении диод ведет себя как изолятор, дальнейшее увеличение приложенного напряжения приводит к ситуации, когда переход вдруг начинает проводить (рис. 1.12). Происходит это из-за электронов теплового происхождения, приобретающих за счет электрического поля в обедненном слое энергию, достаточную для образования новых пар электрон—дырка при соударении с атомами кремния. Эти вновь образовавшиеся носители затем сами создают свободные носители, и лавина нарастает. Процесс не приводит к разрушению перехода, если ограничить ток и тем самым не допустить его перегрева. может происходить при напряжениях от 5 до 1000 В и выше. Напряжение пробоя зависит от конструкции диода и степени легирования кремния. Значением напряжения пробоя ограничивается обратное пиковое напряжение в выпрямителях.

Выпускаются специальные диоды с низким напряжением пробоя, которые называются зенеровскими, по имени Карла Зенера, который в 1934 году открыл механизм электрического пробоя. Зенеровские диоды (стабилитроны. — Примеч. перев.)

обычно имеют очень высокую степень легирования, создающую большую концентрацию основных носителей и позволяющую обедненному слою оставаться тонким даже при обратном смещении перехода. В результате градиент потенциала становится настолько большим, что пробой может произойти при обратном напряжении менее 3 В. Очень крутая характеристика пробоя, показанная на рис. 1.12, говорит о том, что падение напряжения на диоде в режиме пробоя остается почти постоянным при изменении обратного тока в широком диапазоне. Поэтому стабилитроны используются для стабилизации выходного напряжения в источниках питания (см. гл. 9). Строго говоря, понятие зенеровского пробоя включает в себя туннельный эффект при преодолении потенциального барьера и применимо только к диодам с напряжением пробоя менее 5 В, а при напряжении пробоя более 5 В диоды правильнее называть лавинными.

Рис. 1.12. Характеристика диода, смешенного в обратном направлении, с типичным лавинным пробоем.

Емкость перехода и варикапы

Диод, смещенный в обратном направлении, ведет себя как небольшой конденсатор с типичным значением емкости 2 пФ для маломощного кремниевого диода. Обедненный слой ведет себя как диэлектрический изолятор между проводящими «пластинами» «- и р-

типа. Кроме того, с ростом смещающего напряжения емкость немного падает, поскольку обедненный слой расширяется. Путем соответствующего легирования создаются специальные диоды — варикапы, для которых типичным является изменение емкости от 10 до 2 пФ при увеличении обратного напряжения от 2 до 30 В. Такие диоды широко используются при настройке радиоприемников и телевизоров в диапазоне метровых и дециметровых волн. Устройство для электронного управления емкостью конденсатора настройки часто представляет собой специальную схему (схема автоматической подстройки частоты), которая фиксирует настройку на желаемую станцию автоматически.

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Tweet Нравится