Лекция 3 Диод.Биполярный транзистор

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

В современной электронной технике широко применяются полупроводниковые приборы, в которых используются примесные полупроводниковые материалы. Они создаются при введении в материал IV группы периодической системы (в основном, германия и кремния) примеси из элементов III или V группы. В зависимости от вида примеси, получающиеся полупроводниковые материалы обладают либо электронной, либо дырочной проводимостью. В полупроводнике с электронной проводимостью (типа n) концентрация электронов, которые являются основными носителями заряда, существенно превышает концентрацию неосновных носителей, дырок. В полупроводнике с дырочной проводимостью (типа p) основными носителями заряда являются дырки. Их концентрация существенно превышает концентрацию электронов, неосновных носителей зарядов.

1.1.Полупроводниковый диод

Простейшим полупроводниковым прибором является диод. Он снабжен двумя электродами, называемыми анодом и катодом, и использует свойство односторонней проводимости (или вентильности) электрического перехода. В качестве такого перехода наибольшее распространение получил p-n переход, образующийся в кристалле полупроводника на границе двух слоев, один из которых характеризуется дырочной проводимостью (р-слой), а другой – электронной (n-слой). На границе слоев устанавливаются условия, препятствующие взаимному проникновению основных носителей заряда из одного слоя в другой. Это объясняется тем, что при диффузии дырок, основных носителей заряда р-слоя, в n – слой и электронов, основных носителей заряда n-слоя, в р-слой по обе стороны границы образуются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов: пришедшие в n-слой дырки нейтрализуются электронами этого слоя, в результате чего создается избыток положительных зарядов, а пришедшие в р-слой электроны нейтрализуются дырками этого слоя, в результате чего создается избыток отрицательных зарядов. Таким образом, нескомпенсированный положительный заряд в n-слое препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-слоя, а нескомпенсированный отрицательный заряд в р-слое препятствует диффузии электронов из n-слоя, то есть в p-n переходе создается потенциальный барьер.

Рис.1.1. Полупроводниковый диод:

а— структурная схема,

б— схемное обозначение

В диоде с p-n переходом анодный электрод соединен с р- слоем, катодный — с n- слоем, как показано на рис.1.1,а. Схемное обозначение полупроводникового диода представлено на рис. 1.1,б. Вентильное свойство диода отражает его вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 1.2,а. При положительном напряжении (анод находится под более высоким потенциалом, чем катод) диод открыт: под действием приложенного напряжения носители заряда преодолевают потенциальный барьер и через p-n переход протекает ток, который обусловлен переносом, главным образом, основных носителей заряда р-слоя, дырок. Падение напряжения на открытом диоде (участок I на рис.1.2,а) мало и обычно не превышает одного вольта.

Рис.1.2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

а— при различном масштабе токов и напряжения для прямого и обратного направлений, б— при одинаковом масштабе

При отрицательном напряжении (потенциал анода ниже потенциала катода) ток диода связан с переносом неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. Величина тока на несколько порядков меньше тока открытого диода, а напряжение в сотни раз больше. Этот факт отражен на рис.1.2,а разными масштабами на осях токов и напряжений для положительных и отрицательных значений параметров. Пренебрежимо малые токи при отрицательном напряжении свидетельствуют о закрытом состоянии диода (участок II на рис. 1.2,а).

На рис.1.2,б участки I и II вольт-амперной характеристики диода представлены в одинаковом масштабе, когда можно пренебречь падением напряжения в открытом состоянии и протеканием тока – в закрытом. В первом приближении можно считать, что величина сопротивления открытого диода равна нулю, а закрытого — бесконечности.

Участок II вольт-амперной характеристики диода (рис.1.2,а) при увеличении отрицательного напряжения переходит в участок III, где имеет место сильный рост тока при незначительном увеличении напряжения. На этом участке в p-n переходе происходит электрический пробой, то есть лавинообразное увеличение тока. Характерной чертой такого пробоя является обратимость: при снятии напряжения и последующем его увеличении ход вольт-амперной характеристики не изменяется, прибор сохраняет свою работоспособность. Участок электрического пробоя вольт-амперной характеристики переходит в участок IV, где происходит тепловой пробой p-n перехода, при котором нагрев кристалла приводит к разрушению перехода, в результате чего диод выходит из строя.

Участки I и II вольт-амперной характеристики на рис.1.2,а используются с целью выпрямления переменного напряжения, принцип которого можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на рис.1.3,а. На вход схемы подается переменное напряжение , которое представлено синусоидой на рис.1.3,б временной диаграммы. В интервале фаз на анод диода подается положительное напряжение, а на катод – отрицательное. Диод находится в открытом состоянии, и через последовательно включенную с ним нагрузку протекает ток. Если считать нулевым сопротивление открытого диода, то все подводимое к нему напряжение оказывается приложенным к нагрузке, что отражено на рис.1.3,в. При отрицательном полупериоде входного напряжения (интервал фаз ) диод закрыт и через него в нагрузку напряжение не проходит. Таким образом, к нагрузке подводится только положительное напряжение , временная зависимость которого представлена на рис.1.3,в. Поскольку оно действует в течение одного полупериода входного напряжения, схема на рис.1.3,а является однополупериодной.

Рис.1.3. Однополупериодный выпрямитель: а – схема выпрямителя;

б, в – временные диаграммы, иллюстрирующие его работу

Необходимо иметь в виду, что переход диода из закрытого состояния в открытое и наоборот происходит с задержкой во времени, что объясняется инерционностью процессов накопления необходимой концентрации заряда в области p-n перехода при его открытии и рассасыванием этого заряда при закрытии.

Рис.1.4. а. Схема замещения полупроводникового диода.

б. Схема, иллюстрирующая образование

двойного электрического слоя в закрытом p—n переходе

На рис.1.4,а приведена схема замещения p-n перехода, основного элемента диода, работающего на участках I и П вольт-амперной характеристики. Наличие в схеме ключа К отражает возможность пребывания перехода в двух состояниях. Положение «а» ключа соответствует открытому состоянию, в котором переход характеризуется весьма малой величиной сопротивления. Положение «б» ключа соответствует закрытому состоянию, в котором переход эквивалентен параллельному соединению активного сопротивления очень большой величины и емкости, получившей наименование «барьерной». Эта емкость отражает факт образования двойного электрического слоя в закрытом p-n переходе, что иллюстрируется рис.1.4,б, которым обусловлен потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей заряда через переход.

Надежная работа выпрямительного диода обеспечивается лишь в том случае, если он работает при электрических параметрах, величины которых не превышают допустимые значения. Эти значения приводятся в справочных данных. Такими параметрами выпрямительного диода обычно считаются:

• максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, предшествующее развитию пробоя в приборе

• максимально допустимые значения среднего и импульсного токов, при которых не происходит перегрева прибора в открытом состоянии.

По уровню мощности диоды подразделяются на приборы маломощные, средней и большой мощности. В маломощных диодах величина среднего тока не превышает 0,3А, в диодах средней мощности величины тока находятся в пределах 0,3 10А, а в диодах большой мощности величина тока может достигать 1000А и выше.

В режиме электрического пробоя при низких напряжениях диод может пребывать в течение длительного времени. Поэтому участок III на вольт-амперной характеристике полупроводникового диода на рис.1.2,а можно использовать для цели стабилизации напряжения. Такой режим реализуется в специальных диодах, получивших название стабилитронов. В этих приборах обеспечивается достаточно широкий интервал анодных токов, в котором величина напряжения практически не изменяется.

1.3. Биполярный транзистор и принципы его работы

Биполярный транзистор содержит два p-n перехода, которые образуются тремя слоями полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимостей, как условно показано на рис.1.5. Каждый из слоев снабжен электродом, необходимым для подключения к внешней цепи, и которые называются эмиттер, база и коллектор. P-n

переход на границе эмиттерного слоя называется эмиттерным, а p-n переход на границе коллекторного слоя называют коллекторным. Возможны два типа транзисторов (p-n-p и n-p-n) в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних слоях, эмиттерном и коллекторном, а также в среднем, базовом слое. На рис.1.5 также представлены схемные обозначения обоих типов транзисторов.

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Вид этих носителей определяется проводимостью материала эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа p-n-p рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа n-p-n – электроны.

Рис.1.5. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа n—p—n и p—n—p и их схемные обозначения

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые при переносе от эмиттера к коллектору проходят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заряда нейтрализуется основными зарядами материала этого слоя, что схематически представлено на рис.1.6 для транзистора типа n-p-n. Биполярные транзисторы изготовляются так, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя. Кроме того, базовый слой делается тонким. В результате в этом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей заряда, поступающая из эмиттера, а более 90% рабочих носителей заряда доходят до коллектора.

Рис.1.6. Распределение токов в транзисторе n—p—n

Для обеспечения описанного процесса переноса рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжения соответствующей полярности от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора приведена на рис.1.6. Чтобы рабочие носители заряда (электроны) из эмиттерного слоя поступали в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан “минус”, а к базовому – “плюс”. Чтобы эти носители заряда из базового слоя достигли коллектора, к нему должен быть подан “плюс” относительно базы. Таким образом, для основных носителей заряда базового и коллекторного слоев коллекторный переход оказывается закрытым.

Перенос рабочих носителей заряда в транзисторе обусловливает протекание тока во внешней цепи. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда, то эмиттерный ток для транзистора типа n-p-n направлен от эмиттера, а коллекторный ток – к коллектору (см. рис.1.6).

Основная часть коллекторного тока обусловлена потоком рабочих носителей заряда. Однако следует учитывать перенос через закрытый коллекторный переход неосновных носителей заряда базового и коллекторного слоев и связанное с этим протекание в коллекторной цепи обратного тока I (см. рис.1.6). Таким образом, если ввести в рассмотрение коэффициент передачи тока , обусловленного рабочими носителями заряда, то величина коллекторного тока транзистора может быть определена как

I = I + I. (1.1)

При низких температурах величина обратного тока мала. Однако при работе температура транзистора повышается, из-за чего возрастает концентрация неосновных носителей заряда в базовом и коллекторном слоях и существенно увеличивается обратный ток, значение которого удваивается через каждые 8 — 10 С.

Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источников ЭДС внешней цепи. Это обусловливает протекание базового тока, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли рабочих носителей заряда, которые нейтрализуются в базовом слое. В транзисторе типа n-p-n ток базы направлен к этому электроду. Функция базового электрода – управление потоком рабочих носителей заряда. Малая величина базового тока обусловливает малый уровень мощности, потребляемой транзистором на управление.

Токи транзистора должны удовлетворять первому закону Кирхгофа

I= I + I. (1.2)

Поскольку ток базы мал, часто при расчетах полагают, что I≈ I.

Рис.1.7. Схемы включения биполярного транзистора

а — с общей базой, б — с общим эмиттером

На рис.1.6 и 1.7,а представлено включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ), в которой входным электродом является эмиттер, выходным – коллектор, а база входит в состав и входной, и выходной цепей. Поскольку I≈ I, эта схема является усилителем напряжения. Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером (ОЭ), приведенная для транзистора типа n-p-n на рис.1.7,б. В этой схеме входным электродом является база, выходным – коллектор, а эмиттер является общим как для входной, так и выходной цепей. Входной, базовый ток много меньше выходного, коллекторного. Выходное напряжение, между коллектором и эмиттером, много больше входного, между базой и эмиттером. В связи с этим схема ОЭ осуществляет усиление и тока и напряжения, а поэтому ею обеспечивается наибольшая величина коэффициента усиления по мощности.

Полярность напряжений источников ЭДС и направления токов, показанные на рис.1.7, приведены для транзистора типа n-p-n. В случае транзистора типа p-n-p в связи с изменением типа рабочего носителя заряда полярности напряжений источников ЭДС и направления токов должны быть изменены на противоположные.

Что такое биполярный транзистор и как его проверить

Добрый день, друзья!

Сегодня мы продолжим знакомиться с электронными «кирпичиками» компьютерного «железа». Мы уже рассматривали с вами, как устроены полевые транзисторы, которые обязательно присутствуют на каждой материнской плате компьютера.

Усаживайтесь поудобнее – сейчас мы сделаем интеллектуально усилие и попытаемся разобраться, как устроен

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который широко применяется в электронных изделиях, в том числе и компьютерных блоках питания.

Слово «транзистор» (transistor) образовано от двух английских слов – «translate» и «resistor», что означает «преобразователь сопротивления».

Слово «биполярный» говорит о том, что ток в приборе вызывается заряженными частицами двух полярностей – отрицательной (электронами) и положительной (так называемыми «дырками»).

«Дырка» — это не жаргон, а вполне себе научный термин. «Дырка» — это не скомпенсированный положительный заряд или, иными словами, отсутствие электрона в кристаллической решетке полупроводника.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру с чередующимися видами полупроводников.

Так как существуют полупроводники двух видов, положительные (positive, p-типа) и отрицательные (negative, n-типа), то может быть два типа такой структуры – p-n-p и n-p-n.

Средняя область такой структуры называется базой, а крайние области – эмиттером и коллектором.

На схемах биполярные транзисторы обозначаются определенным образом (см рисунок). Видим, что транзистор представляет собой, по существу, да p-n перехода, соединенных последовательно.

Вопрос на засыпку – почему нельзя заменить транзистор двумя диодами? Ведь в каждом из них есть p-n переход, не так ли? Включил два диода последовательно – и дело в шляпе!

Нет! Дело в том, что базу в транзисторе во время изготовления делают очень тонкой, чего никак нельзя достичь при соединении двух отдельных диодов.

Принцип работы биполярного транзистора

Основной принцип работы транзистора заключается в том, что небольшой ток базы может управлять гораздо бОльшим током коллектора — в диапазоне практически от нуля до некоей максимально возможной величины.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току и может составлять величину от нескольких единиц до нескольких сотен.

Интересно отметить, что у маломощных транзисторов он чаще всего больше, чем у мощных (а не наоборот, как можно было бы подумать).

Это напоминает работу полевого транзистора (ПТ).

Разница в том, что в отличие от затвора ПТ, при управлении ток базы всегда присутствует, т.е. на управление всегда тратится какая-то мощность.

Чем больше напряжение между эмиттером и базой, тем больше ток базы и, соответственно, больше ток коллектора. Однако любой транзистор имеет максимально допустимые значения напряжений между эмиттером и базой и между эмиттером и коллектором. За превышение этих параметров придется расплачиваться новым транзистором.

В рабочем режиме обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор закрыт.

Биполярный транзистор, подобно реле, может работать и в ключевом режиме. Если подать некоторый достаточный ток в базу (замкнуть кнопку S1), транзистор будет хорошо открыт. Лампа зажжется.

При этом сопротивление между эмиттером и коллектором будет небольшим.

Падение напряжения на участке эмиттер – коллектор будет составлять величину в несколько десятых долей вольта.

Если затем прекратить подавать ток в базу (разомкнуть S1), транзистор закроется, т.е. сопротивление между эмиттером и коллектором станет очень большим.

Лампа погаснет.

Как проверить биполярный транзистор?

Так как биполярный транзистор представляет собой два p-n перехода, то проверить его цифровым тестером достаточно просто.

Надо установить переключатель работы тестера в положение проверки диодов, присоединив один щуп к базе, а второй – поочередно к эмиттеру и коллектору.

По сути, мы просто последовательно проверяем исправность p-n переходов.

Такой переход может быть или открыт, или закрыт.

Затем надо изменить полярность щупов и повторить измерения.

В одном случае тестер покажет падение напряжение на переходах эмиттер – база и коллектор – база 0,6 – 0,7 В (оба перехода открыты).

Во втором случае оба перехода будут закрыты, и тестер зафиксирует это.

Следует отметить, что в рабочем режиме чаще всего один из переходов транзистора открыт, а второй закрыт.

Измерение коэффициента передачи биполярного транзистора по току

Если в тестере имеется возможность измерения коэффициента передачи по току, то проверить работоспособность транзистора можно, установив выводы транзистора в соответствующие гнезда.

Коэффициент передачи по току – это отношение тока коллектора к току базы.

Чем больше коэффициент передачи, тем большим током коллектора может управлять ток базы при прочих равных условиях.

Цоколевку (наименование выводов) и другие данные можно взять из data sheets (справочных данных) на соответствующий транзистор. Data sheets можно найти в Интернете через поисковые системы.

Тестер покажет на дисплее коэффициент передачи (усиления) тока, который нужно сравнить со справочными данными.

Коэффициент передачи тока маломощных транзисторов может достигать нескольких сотен.

У мощных транзисторов он существенно меньше – несколько единиц или десятков.

Однако существуют мощные транзисторы с коэффициентом передачи в несколько сотен или тысяч. Это так называемые пары Дарлингтона.

Пара Дарлингтона представляет собой два транзистора. Выходной ток первого транзистора является входным током для второго.

Общий коэффициент передачи тока – это произведение коэффициентов первого и второго транзисторов.

Пара Дарлингтона делается в общем корпусе, но ее можно сделать и из двух отдельных транзисторов.

Встроенная диодная защита

Некоторые транзисторы (мощные и высоковольтные) могут быть защищены от обратного напряжения встроенным диодом.

Таким образом, если подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору в режиме проверки диодов, то он покажет те же 0,6 – 0,7 В (если диод смещен в прямом направлении) или «запертый диод» (если диод смещен в обратном направлении).

Если же тестер покажет какое-то небольшое напряжение, да еще в обоих направлениях, то транзистор однозначно пробит и подлежит замене. Закоротку можно определить и в режиме измерения сопротивления – тестер покажет малое сопротивление.

Встречается (к счастью, достаточно редко) «подлая» неисправность транзисторов. Это когда он поначалу работает, а по истечению некоторого времени (или по прогреву) меняет свои параметры или отказывает вообще.

Если выпаять такой транзистор и проверить тестером, то он успеет остыть до присоединения щупов, и тестер покажет, что он нормальный. Убедиться в этом лучше всего заменой «подозрительного» транзистора в устройстве.

В заключение скажем, что биполярный транзистор – одна из основных «железок» в электронике. Хорошо бы научиться узнавать – «живы» эти «железки» или нет. Конечно, я дал вам, уважаемые читатели, очень упрощенную картину.

В действительности, работа биполярного транзистора описывается многими формулами, существуют многие их разновидности, но это сложная наука. Желающим копнуть глубже могу порекомендовать чудесную книгу Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники».

До встречи на блоге!

Принцип работы и схема биполярного транзистора.

На нашем сайте вышел обновленный курс по электронике! Мы рады предложить Вам новые статьи по этой теме:

Всем доброго времени суток! Мы продолжаем изучать основы электроники и сегодня пришло время разобраться как работает транзистор и что это вообще за зверь такой. Сразу отметим, что они делятся на два больших класса – биполярные и полевые, так вот в этой статье речь пойдет исключительно о биполярных транзисторах. Полевые пока немного подождут, но и до них мы доберемся 🙂

Итак, приступаем!

Биполярный транзистор является одним из самых важных и основных активных компонентов. Основная цель работы биполярного транзистора заключается в увеличении сигнала по мощности. Естественно, мощность не может появиться просто из воздуха, законы физики никто не отменял, поэтому в транзисторе увеличение мощности входного сигнала достигается за счет внешнего источника питания. Еще раз повторюсь и уточню, что усиление заключается именно в увеличении мощности, в отличие от трансформатора, который может усиливать по напряжению, но при этом происходит ослабление тока, и мощность на выходе равна мощности на входе.

Двигаемся дальше. Биполярники бывают двух типов – n-p-n и p-n-p. Какого бы типа не был биполярный транзистор, он имеет три вывода (электрода), которые называются:

• коллектор
• эмиттер
• база

Схема биполярного транзистора.

Мы будем все обсуждать на примере n-p-n БТ, но в принципе для p-n-p все правила и законы точно такие же, но надо учитывать, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные.

Переходы база-эмиттер и база-коллектор представляют собой не что иное, как диоды (вот, кстати, статья о диодах), и в обычном рабочем режиме диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт. Давайте посмотрим на визуальное представление схемы биполярного транзистора в виде комбинации диодов. Но тут необходимо уточнить, что в реальности биполярный транзистор не эквивалентен двум диодам. Представление транзистора в виде пары диодов используется только для облегчения понимания принципа его работы.

Теперь давайте на основе диодной модели, составим основные правила работы биполярного транзистора. Как уже упоминалось, диод база-эмиттер должен быть открыт, а, следовательно, напряжение на базе должно превышать напряжение на эмиттере на значение прямого напряжения диода (0.6 – 0.8 В). Таким образом:

U_б = U_э + 0.6\medspaceВ

Кстати, совсем забыл уточнить. Когда мы говорим «напряжение на коллекторе/эмиттере/базе», то подразумевается напряжение на соответствующем электроде, взятое по отношению к потенциалу земли(!). Ну и, соответственно, если мы говорим о напряжении U_{бэ}, например, то имеется в виду напряжение между базой и эмиттером, то же самое относится к U_{бк} и U_{кэ} .

Возвращаемся обратно к работе биполярного транзистора!

С диодом база-эмиттер разобрались, теперь диод коллектор-база. Он должен быть смещен в обратном направлении для нормальной работы транзистора, поэтому потенциал коллектора должен быть более положительным, чем потенциал базы (для p-n-p полярности должны быть противоположными). Таким образом, если выполнены эти условия, то биполярный транзистор находится в режиме нормальной работы, при котором ток коллектора:

I_k = h_{21э}\medspace I_b

Величина h_{21э} – это коэффициент усиления по току. Вот мы и пришли к основному принципу работы транзистора, а именно: большой ток коллектора управляется небольшим значением тока базы.

С устройством БТ разобрались, уделили внимание схеме биполярного транзистора, давайте теперь рассмотрим парочку схем посложнее!

Схема ключа на биполярном транзисторе.

Вот такая вот несложная, но безумно полезная схема! Будем разбираться, как она работает.

Пусть нагрузка у нас потребляет ток 100 мА при 12 В. Если на входе у нас ничего нету, то потенциал базы равен потенциалу эмиттера и равен нулю. При таком раскладе у нас диод база-эмиттер закрыт и, следовательно, тока на выходе тоже нет. Транзистор тут находится в режиме отсечки (это значит, что оба перехода – база-коллектор и база-эмиттер – закрыты).

Подаем на вход положительное напряжение (ну, например, с ножки контроллера) и сразу же начинается движуха 🙂 Напряжение на базе составит около 0.6 В (диод база-эмиттер открыт) и в схеме начинает протекать ток базы. И к чему же это приведет? А вот к чему. Так как диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт, то БТ находится в режиме усиления, а значит, через нагрузку потечет коллекторный ток. Соответственно, на нагрузке появится напряжение.

А это в свою очередь приведет к тому, что напряжение на коллекторе будет уменьшаться (смотрите сами, напряжение коллектора + напряжение на нагрузке в сумме должны составлять 12 В, если увеличивается одно из этих значений, второе уменьшается, чистая математика 🙂 ). В итоге, когда ток коллектора увеличится до 100 мА, падение напряжения на нагрузке составит около 12 В (таковы параметры нагрузки у нас), и соответственно напряжение на коллекторе станет меньше, чем на базе. А это значит, что диод база-коллектор откроется и биполярный транзистор перейдет в режим насыщения (оба диода открыты), и дальнейшего роста тока не будет происходить.

Короче, пока на входе ничего нет – режим отсечки, подаем сигнал, транзистор, очень быстро минуя режим усиления, переходит в режим насыщения. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора в качестве ключа.

Есть тут, кстати, еще одна важная фишка. Пусть, к примеру, резистор в цепи базы имеет сопротивление 1 КОм. Пусть на базу подается 10 В. Тогда на этом резисторе будет напряжение 9.4 В (10 В минус прямое напряжение диода база-эмиттер). Рассчитаем ток базы – делим 9.4 В на 1 КОм и получаем 9.4 мА. Пусть коэффициент усиления транзистора равен 50. Находим коллекторный ток: 9.4 мА * 50 = 470 мА. Вот такой получили расчет. Вроде бы все верно, но на самом деле все совсем не так и таким образом рассчитывать нельзя! Давайте разбираться, в чем тут ошибка.

Вспоминаем, что при значении тока коллектора 100 мА напряжение на нем становится мало относительно базы и биполярный транзистор насыщается. А значит дальнейшего роста тока быть не может! Таким образом, рассчитанные 470 мА на нагрузке мы не увидим, просто образуется так называемый избыток тока базы.

Итак, сегодня мы обсудили суть работы биполярного транзистора и его схему. Хотел я еще рассказать в этой статье про эмиттерный повторитель, но как то получилось объемно, а про повторитель надо поговорить обстоятельно и обширно, так что через пару дней в новой статье обязательно вернемся к биполярникам. До скорой встречи, следите за новостями 🙂

Светодиод КИПД 45 (биполярный) — описание, характеристики, чертежи и фото производства «Планета-СИД»

Светодиод 3 мм двухцветный

Характеристики и модификации

тип type	цвет свечения emission color	цвет корпуса case color	длина волны wave-length nm	cила света luminous intensity min Iv, mcd	прямой ток forward current If, mA	прямое напряжение forward voltage max Vf, V	угол angle 2φ 50%Iv deg.
КИПД45 А7-М	красно/зеленый red/green	белый с диспергатором white diffused	655/567	1,0	10	2,4	50
КИПД45 Б7-М				3,0
КИПД45 В7-М				5,0
КИПД45 А8-М	красно/зеленый red/green	белый с диспергатором white diffused	655/590	1,0	10	2,4	50
КИПД45 Б8-М				3,0
КИПД45 В8-М				5,0

Диоды в комбинированных цифро-импульсных узлах

 

Кроме описанных выше диодных схем в современной схемотехнике находят широкое применение различные импульсные устройства, построенные на основе биполярных и полевых транзисторов, а также цифровых микросхем. Несмотря на то, что основным коммутирующим элементом этих схем выступает транзистор (или логический элемент микросхемы), диоды могут играть в них вспомогательную роль, обеспечивая коммутацию дополнительных цепей улучшающих характеристики узлов. Пример диодно-транзисторной ключевой схемы приведен на рис. 3.1-10.

 

Рис. 3.1-10. Импульсный усилитель мощности с замыкающим диодом

 

Это импульсный усилитель мощности, который обеспечивает коммутацию активно-индуктивной нагрузки. Здесь специальный шунтирующий диод \(VD1\) фактически превращает последовательную транзисторную схему коммутации в последовательно-параллельную. Через него протекает ток дросселя на интервале времени, когда транзистор закрыт, т.е. независимо от состояния транзисторного ключа постоянно существует цепь для протекания тока нагрузки, что принципиально необходимо для нормального функционирования нагрузок, содержащих индуктивность.

В традиционные схемы транзисторных ключей диоды часто вводятся не только для обеспечения дополнительной коммутации (как это было описано выше). Благодаря своим ограничительным свойствам (см. Диодные ограничители в составе различных узлов аппаратуры) они могут использоваться для улучшения характеристик быстродействия этих ключей. Дело в том, что существенную долю времени выключения биполярного транзистора, особенно при пассивном запирании, составляет время его рассасывания.

Для исключения этого временного интервала необходимо предотвратить переход транзистора в состояние глубокого насыщения, что может быть достигнуто путем фиксации минимального напряжения коллекторного перехода транзистора. Такое решение реализовано в схеме на рис. 3.1‑11.

 

Рис. 3.1-11. Схема ненасыщенного ключа на биполярном транзисторе с фиксацией напряжения \(U_{КБ}\) с помощью диода и базового резистора

 

Если в схеме на рис. 3.1-11 вместо обычного кремниевого диода использовать диод Шоттки, имеющий малое падение напряжения в проводящем состоянии, то резистор \(R_б\) может быть исключен, а схема преобразуется в представленную на рис. 3.1-12(а).

Такая схема нашла широчайшее применение в цифровых ИС (логика ТТЛШ), где диод Шоттки и транзистор сразу выполняются совмещенными, благодаря особой компоновке полупроводниковой структуры, в которой металлический вывод базы дополнительно имеет контакт и с коллекторной областью, образуя дополнительный переход Шоттки.

Изготовленный описанным образом интегральный элемент принято называть биполярным транзистором Шоттки (Schottky-clamped transistor) или просто транзистором Шоттки (не путать с Полевым транзистором Шоттки) и обозначать как показано на рис. 3.1-12(б).

 

Рис. 3.1-12. Транзисторно-диодный ключ с диодом Шоттки (а) и биполярный транзистор Шоттки (б)

 

Иногда для исключения накопления избыточного заряда в базовой области биполярного транзистора, вместо напряжения \(U_{КБ}\) фиксируется напряжение \(U_{КЭ}\). При этом используется схема, приведенная на рис. 3.1-13, в которой между выводами эмиттера и коллектора транзистора включены последовательно соединенные диод и источник фиксирующего напряжения. Однако из-за значительного технологического разброса параметров транзисторов величина \(U_{фикс}\) должна выбираться с достаточным запасом, что ведет к большому остаточному напряжению на замкнутом ключе.

 

Рис. 3.1-13. Схема ненасыщенного ключа на биполярном транзисторе с фиксацией напряжения \(U_{КЭ}\) с помощью диода и дополнительного напряжения фиксации

 

При применении в усилителях мощности схема на рис. 3.1‑13 вырождается и сводится к прямому шунтированию транзистора обратным диодом. Такое включение транзисторов обычно называют “стойкой” (пример на рис. 3.1-14).

 

Рис. 3.1-14. Импульсный усилитель мощности с включающим и замыкающим ключами

 

На рис. 3.1-15 представлена простая схема, демонстрирующая возможный вариант использования диодно-емкостной цепочки в в сочетании с цифровым логическим элементом ТТЛ и предназначенная для задержки фронта импульса.

 

Рис. 3.1-15. Схема задержки фронта импульса (а) и временны’е диаграммы, поясняющие ее работу (б)

 

В исходном состоянии, когда на вход схемы подан сигнал логического нуля, диод \(VD1\) открыт, а на конденсаторе \(C1\) поддерживается напряжение равное падению напряжения на прямосмещенном диоде \(VD1\) (это происходит из-за особенностей внутренней схемотехники логического элемнта ТТЛ). При поступлении на вход устройства сигнала логической единицы диод \(VD1\) сразу же закрывается, а конденсатор \(C1\) начинает медленно подзаряжаться за счет тока, протекающего через эмиттерный переход входного транзистора ТТЛ элемента. Когда напряжение на конденсаторе превысит порог срабатывания логического элемента, на выходе появится инвертированный задержанный фронт входного импульса. При прохождении среза вход снова замкнется на общий провод, а конденсатор \(C1\) за очень короткое время (учитывая малое выходное сопротивление типового элемента ТТЛ, с которого поступает импульсный сигнал) разрядится через диод \(VD1\), и устройство перейдет в исходное состояние.

Если необходимо задержать не фронт, а срез имипульса достаточно подать на описанную схему предварительно проинвертированный сигнал. Тогда на ее выходе будет получен исходный сигнал (а не его инверсия) с задержанными срезами импульсов. Для задержки всего импульса требуется использовать два одинаковых каскада (рис. 3.1-16), один из которых отвечает за задержку фронта, а другой — среза (здесь также на выходе будет получен неинвертированный задержанный сигнал).

 

Рис. 3.1-16. Схема задержки импульса (а) и временны’е диаграммы, поясняющие ее работу (б)

 

Недостатком такого устройства является то, что оно способно нормально обрабатывать только импульсы, длительность которых не меньше времени задержки.

Описанный простейший узел задержки фронта импульса может быть использован и в составе различных формирователей. Например, на его базе может быть построена схема формирования импульсов заданной длительности (рис. 3.1-17). В этой схеме на один вход логического элемента 2И-НЕ исходный сигнал подается непосредственно, а на другой — с задержкой фронта и с инверсией. Выходным сигналом является импульс логического нуля, длительность которого равна времени задержки фронта входного импульса.

Включив на выходе такого формирователя интегрирующую цепь, которая будет выделять постоянную составляющую импульсного сигнала, можно получить простейший преобразователь частота – напряжение (принцип работы преобразователя заключается в том, что постоянная составляющая периодического импульсного сигнала обратно пропорциональна скважности этого сигнала, а следовательно, при постоянной длительности прямо пропорциональна частоте).

 

Рис. 3.1-17. Формирователь импульсов заданной длительности

 

Два других примера применения схемы задержки — автоколебательный (рис. 3.1-18) и ждущий (рис. 3.1-19) мультивибраторы.

 

Рис. 3.1-18. Автоколебательный мультивибратор

 

Рис. 3.1-19. Ждущий мультивибратор

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Проверка биполярного транзистора мультиметром

Добавлено 27 сентября 2017 в 07:35

Сохранить или поделиться

Биполярные транзисторы построены из трехслойного полупроводникового «сэндвича» либо NPN, либо PNP. Как таковые транзисторы при проверке мультиметром в режиме «сопротивление» или «проверка диода», как показано на рисунке ниже, показываются как два диода, соединенных друг с другом. Показания низкого сопротивления с черным отрицательным (-) выводом на базе соответствует N-типу материала в базе PNP транзистора. На условном обозначении на материал N-типа «указывает» стрелка перехода база-эмиттер, который в этом примере является базой. Эмиттер P-типа соответствует другому концу стрелки перехода база-эмиттер. Коллектор очень похож на эмиттер и так же является материалом P-типа PN-перехода.

Проверка PNP транзистора мультиметром: (a) прямое смещение переходов Б-Э и Б-К, сопротивление низкое; (b) обратное смещение переходов Б-Э, Б-К, сопротивление равно ∞

Здесь я предполагаю использовать мультиметр с единственной функцией измерения (сопротивление) для проверки PN-переходов. Некоторые мультиметры оснащены двумя отдельными функциями измерения: сопротивление и «проверка диода», каждая служит своей цели. Если у вашего мультиметра есть функция «проверка диода», используйте её, вместо измерения сопротивления, в этом случае мультиметр покажет прямое падение напряжения PN-перехода, а не только то, проводит ли он ток.

Разумеется, показания мультиметра будут совершенно противоположными для NPN транзистора, причем оба PN-перехода будут направлены в противоположную сторону. Показания низкого сопротивления с красным (+) выводом на базе являются «противоположным» состоянием для NPN транзистора.

Если в этом тесте используется мультиметр с функцией «проверка диода», будет установлено, что переход эмиттер-база имеет несколько большее прямое падение напряжения, чем переход коллектор-база. Эта разница прямых напряжений обусловлена несоответствием концентрации легирования между областями эмиттера и коллектора: эмиттер представляет собой кусок полупроводникового материала, гораздо более легированный, чем коллектор, в результате чего его переход с базой создает более высокое прямое падение напряжения.

Зная это, становится возможным определение назначение выводов на немаркированном транзисторе. Это важно, потому что корпуса, к сожалению, не стандартизированы. Разумеется, все биполярные транзисторы имеют три вывода, но расположение этих трех выводов на реальном физическом корпусе не имеет универсального стандартизированного порядка.

Предположим, что техник нашел биполярный транзистор и начинает измерять его проводимость с помощью мультиметра, установленного в режим «проверка диода». Измерения между парами выводов и запись значений, отображаемых мультиметром, дают ему следующие данные.

Неизвестный биполярный транзистор. Где здесь эмиттер, база, коллектор? Ниже приведены показания мультиметра.

Мультиметр подключен к выводу 1 (+) и 2 (-): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 1 (-) и 2 (+): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 1 (+) и 3 (-): 0.655 V
Мультиметр подключен к выводу 1 (-) и 3 (+): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 2 (+) и 3 (-): 0.621 V
Мультиметр подключен к выводу 2 (-) и 3 (+): “OL”

Единственными комбинациями тестовых измерений, дающих на мультиметре показания, говорящие о проводимости, являются выводы 1 и 3 (красный щуп на выводе 1, черный щуп на выводе 3) и выводы 2 и 3 (красный щуп на выводе 2, черный щуп на выводе 3). Эти два показания должны указывать на прямое смещения перехода эмиттер-база (0,655 вольт) и перехода коллектор-база (0,621 вольт).

Теперь мы ищем один провод, общий для обоих показаний проводимости. Это должен быть вывод базы транзистора, поскольку база единственным слоем трехслойного устройства, общего для обоих PN-переходов (база-эмиттер и база-коллектор). В этом примере это провод номер 3, являющийся общим для комбинаций тестовых измерений 1-3 и 2-3. В обоих этих измерениях черный (-) щуп мультиметра касался к выводу 3, что говорит нам, что база этого транзистора изготовлена из полупроводникового материала N-типа (черный = отрицательный). Таким образом, это PNP-транзистор с базой на выводе 3, эмиттером на выводе 1 и коллектором на выводе 2, как показано на рисунке ниже.

Выводы биполярного транзистора определены с помощью мультиметра.

Обратите внимание, что вывод базы в этом примере не является средним выводом транзистора, как это можно было бы ожидать от трехслойной «сэндвичной» модели биполярного транзистора. Это довольно частый случай, и, как правило, это часто путает новых студентов. Единственный способ определить назначение выводов – это проверка мультиметром или чтение технического описания на конкретную модель транзистора.

Знание того, что биполярный транзистор при тестировании мультиметром в режиме проводимости ведет себя как два соединенных «спинами» диода, полезно для идентификации неизвестного транзистора только по показаниям мультиметра. Это также полезно для быстрой проверки работоспособности транзистора. Если техник измерит проводимость между тремя выводами в разных комбинациях, он или она сразу узнает, что транзистор неисправен (или что это не биполярный транзистор, а что-то еще – отличная возможность, если на детали нет маркировки для точной идентификации!). Однако модель «двух диодов» для транзистора не может объяснить, как и почему он действует как усилительное устройство.

Чтобы лучше проиллюстрировать этот парадокс, рассмотрим одну из схем транзисторных ключей, используя для представления транзистора физическую схему (как показано на рисунке ниже), а не условное обозначение. Так легче будет видеть два PN-перехода.

Небольшой ток базы, протекающий в прямо смещенном переходе база-эмиттер, обеспечивает большой ток через обратно смещенный переход база-коллектор (на рисунке показано направление движения потоков электронов, общепринятые направления электрических токов будут противоположными)

Диагональная стрелка серого цвета показывает направление потока электронов через переход эмиттер-база. Эта часть имеет смысл, так как электроны протекают от эмиттера N-типа к базе P-типа, очевидно прямое смещение перехода. Однако с переходом база-коллектор совсем другое дело. Обратите внимание, как толстая стрелка серого цвета указывает в направлении потока электронов (вверх) от базы к коллектору. С базой из материала P-типа и коллектором из материала N-типа, это направление потока электронов явно указывает на направление, противоположное тому, с каким ассоциируется PN-переход! Обычный PN-переход не позволил бы потоку электронов протекать в этом «обратном» направлении, по крайней мере, не без значительного сопротивления. Однако открытый (насыщенный) транзистор демонстрирует очень малое противодействие электронам на всем пути от эмиттера к коллектору, о чем свидетельствует свечение лампы!

Ясно, что здесь происходит что-то, что бросает вызов простой «двухдиодной» модели биполярного транзистора. Когда я впервые узнал о работе транзистора, я попытался построить свой собственный транзистор из двух диодов, включенных в противоположных направлениях, как показано на рисунке ниже.

Пара включенных в противоположных направлениях диода не действуют как транзистор!

Моя схема не работала, и я был озадачен. Однако полезное «двухдиодное» описание транзистора может использоваться для проверки, оно не объясняет, почему транзистор ведет себя как управляемый ключ.

То, что происходит в транзисторе, заключается в следующем: обратное смещение перехода база-коллектор предотвращает протекание тока коллектора, когда транзистор находится в режиме отсечки (закрыт, т.е. при отсутствии тока базы). Если переход база-эмиттер смещен в прямом направлении с помощью управляющего сигнала, нормально блокирующее поведение перехода база-коллектор изменяется, и ток через коллектор пропускается, несмотря на то, что электроны через этот PN-переход идут «неправильно». Это поведение зависит от квантовой физики полупроводниковых переходов и может иметь место только тогда, когда два перехода расположены правильно, и концентрации легирования этих трех слоев распределены правильно. Два диода, соединенных последовательно, не соответствуют этим критериям; верхний диод никогда не может «включиться», когда он смещен в обратном направлении, независимо от того, какая величина тока проходит через нижний диод в схеме через вывод базы. Для более подробной информации смотрите раздел «Биполярные транзисторы» главы 2.

То, что концентрации легирования играют решающую роль в особых способностях транзистора, еще раз подтверждается тем фактом, что коллектор и эмиттер не являются взаимозаменяемыми. Если транзистор просто рассматривается как два противоположно направленных PN-перехода или просто как N-P-N или P-N-P сэндвич материалов, может показаться, что любой конец этого сэндвича может служить в качестве коллектора или эмиттера. Это, однако, неверно. При «противоположном» включении транзистора в схему, ток база-коллектор не сможет управлять током между коллектором и эмиттером. Несмотря на то, что эти оба слоя (эмиттер и коллектор) биполярного транзистора имеют один и тот же тип легирования (либо N, либо P), коллектор и эмиттер определенно не одинаковы!

Ток через переход эмиттер-база позволяет протекать току через обратно смещенный переход база-коллектор. Действие тока базы можно рассматривать как «открывание клапана» для тока через коллектор. Более конкретно, любая заданная величина тока от эмиттера к базе допускает протекание ограниченной величины тока от базы к коллектору. На каждый электрон, который проходит через переход эмиттер-база и через вывод базы, через переход база-коллектор проходит определенное количество электронов и не более.

В следующем разделе это ограничение тока транзистора будет исследовано более подробно.

Подведем итоги:

• При проверке с помощью мультиметра в режимах «сопротивление» и «проверка диода» биполярный транзистор ведет себя как два встречно направленных PN-перехода (диода).
• PN-переход эмиттер-база имеет несколько большее прямое падение напряжения, чем PN-переход коллектор-база, из-за более сильного легирования полупроводникового слоя эмиттера.
• Обратно смещенный переход база-коллектор обычно блокирует любой ток через транзистор между эмиттером и коллектором. Однако этот переход начинает проводить ток, если протекает ток и через вывод базы. Ток базы можно рассматривать как «открывание клапана» для определенной, ограниченной величины тока через коллектор.

Оригинал статьи:

Теги

PN переходБиполярный транзисторМультиметрОбучениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

Преимущества использования новых SiC-диодов Infineon в AC/DC-преобразователях

1 июня 2018

Шестое поколение выпускаемых компанией Infineon диодов Шоттки на основе карбида кремния – это высокий КПД во всем диапазоне нагрузок, повышение удельной мощности и лучшее в своем классе минимальное падение напряжения. Последнее обеспечивает их более высокую эффективность в цепях повышающих преобразователей напряжения.

Традиционные кремниевые приборы в процессе совершенствования своих возможностей достигли физических пределов. Раздвинуть эти границы позволяют новые приборы на основе карбида кремния (SiC), которые обладают целым рядом преимуществ в сравнении с чисто кремниевыми аналогами. В последние несколько лет движущими силами развития рынка стали энергосбережение, сокращение размеров, системная интеграция и повышение надежности. При этом отмечается существенный рост спроса на полупроводниковые приборы на основе карбида кремния. Высокая эффективность и надежность таких приборов востребованы в инновационных проектах интеллектуальной и энергосберегающей электроники.

Технология Infineon CoolSiC™ – будущее для мощных полупроводниковых приборов

На основе технологии SiC компания Infineon разрабатывает семейство CoolSiC™, которое сегодня является одним из наиболее востребованных в энергосберегающем оборудовании. В составе этого семейства имеются диоды Шоттки, используемые в блоках питания компьютеров, серверов, телекоммуникационного оборудования и в инверторных преобразователях солнечных батарей.

Рис. 1. Диод CoolSiC™ Schottky 650 V G6

Последним пополнением семейства CoolSiC™ стало шестое поколение приборов, известное также как G6, которое является результатом целого ряда усовершенствований, достигнутых в течение последних 17 лет. Все началось в 2001 году, когда Infineon выпустил первое поколение диодов с барьером Шоттки – семейство CoolSiC™. Появившееся вслед за ним в 2004 году второе поколение семейства имело структуру MPS (merged-PiN-Schottky) и обладало повышенной перегрузочной способностью по току. В 2009 году компания представила третье поколение с диффузионной пайкой, которая позволила снизить тепловое сопротивление «переход-корпус» (R_thJC). В 2012 году была внедрена технология с тонкими полупроводниковыми пластинами, а в 2017 году шестое поколение добавило новую топологию, новую структуру ячеек и новую патентованную металлическую систему Шоттки. Последние усовершенствования обеспечивают значительное повышение надежности, качества и эффективности в широком диапазоне нагрузок, а также повышают удельную мощность. Диоды CoolSiC™ 650 V G6 (рисунок 1) имеют лучшее в своем классе минимальное прямое падение напряжения.

Разработчикам высокоэффективных и компактных источников питания приходится учитывать различные аспекты проектирования. Каскад ККМ (PFC) в преобразователях AC/DC является одним из тех узлов, где диоды CoolSiC™ 650 V G6 могут реально показать свои преимущества при создании высокоэффективных компактных источников питания.

Infineon провел целый ряд испытаний с целью сравнения эффективности своих новых диодов Шоттки G6 c предыдущим поколением G5. В качестве тестовой платформы была выбрана оценочная плата серверного источника питания Infineon Platinum® (рисунок 2) с выходной мощностью 800 Вт при напряжении 380 В DC, входном напряжении 90…265 В AC и частоте коммутации 65 и 135 кГц.

Рис. 2. Оценочная плата Infenion 800 W Platinum®

Ниже представлены сравнительные результаты и преимущества использования диодов Шоттки CoolSiC™ 650 V G6 в повышающих AC/DC-преобразователях с коррекцией коэффициента мощности (PFC), а также преимущества теплового режима и рекомендации по защите от пиковых перегрузок по току. Выбрать подходящий диод Шоттки из модельного ряда Infenion 5 и 6 поколений поможет сводная таблица 1 с основными параметрами.

Малое прямое напряжение диода CoolSiC™ G6 обеспечивает повышенную эффективность.

Лучшее в своем классе приборов малое прямое напряжение на переходе у диодов CoolSiC™ G6 позволяет более эффективно использовать их в расширенном диапазоне нагрузок. Так, диод IDH06G65C6 имеет прямое падение напряжения 1,25 В при токе в 6 A и температуре 25°C, тогда как у IDH06G65C5 из поколения G5 при тех же условиях этот показатель остается на уровне 1,5 В.

Таблица 1. КПД платы Infineon 800 W Platinum® при использовании CoolSiC™ G6 и G5

Условия	КПД при VIN = 115 В AC и Fsw = 65 кГц, %			КПД при VIN = 230 В AC и Fsw = 65 кГц, %
POUT, % от MAX	IDH06G65C6	IDH06G65C5	∆КПД	IDH06G65C6	IDH06G65C5	∆КПД
20	95,93	95,87	+0,06	97,15	97,07	+0,08
40	96,49	96,46	+0,03	97,85	97,80	+0,05
60	96,38	96,32	+0,06	98,07	98,01	+0,06
80	96,05	95,98	+0,07	98,11	98,06	+0,05
100	95,57	95,54	+0,03	98,10	98,05	+0,05

Пониженное прямое падение напряжения на диодах Шоттки обеспечивает их более высокую эффективность в цепях повышающих преобразователей напряжения. Таблица 1 и графики на рисунках 3 и 4 демонстрируют сравнительную эффективность этих диодов, работающих в расширенном диапазоне нагрузок с разным напряжением питания и с разными частотами коммутации.

Рис. 3. Сравнение КПД отладочной платы ККМ на 800 Вт при работе на частоте 65 кГц для диодов CoolSiC™ G6 и G5

Рис. 4. Сравнение КПД отладочной платы ККМ на 800 Вт при работе на частоте 130 кГц для диодов CoolSiC™ G6 и G5

В качестве исходного уровня отсчета была принята эффективность демонстрационного источника питания Infineon с использованием диодов CoolSiC™ G5.

Так, применяемая в процессе испытаний демонстрационная плата серверного источника питания Platinum® 800 Вт с коррекцией коэффициента мощности показала улучшенную в среднем на 0,05% эффективность CoolSiC™ G6 в сравнении с предыдущим поколением (CoolSiC™ G5), что соответствует снижению мощности потерь на 1%.

Формируйте кривую эффективности, выбирая номинальный ток диода

Применяя SiC-диоды с разными номинальными токами, проектировщики повышающих преобразователей электропитания имеют также возможность формировать кривую эффективности в ожидаемом диапазоне нагрузки.

Для того чтобы оценить влияние типа диода на эффективность каскада PFC, было проведено испытание платы Platinum® 800 W с разными диодами Шоттки CoolSiC™ G6. IDH06G65C6 рассчитан на номинальный ток (I_F) 6 А, тогда как у IDh20G65C6, выполненного в аналогичном корпусе PG-TO220-2, этот показатель достигает 10 А.

Таблица 2. КПД платы Infenion 800 W Platinum® с разными диодами CoolSiC™ G6 в зависимости от величины нагрузки и входного напряжения

Условия	КПД при VIN = 115 В AC и Fsw = 65 кГц			КПД при VIN = 230 В AC и Fsw = 65 кГц
POUT, % от MAX	IDH06G65C6	IDh20G65C6	∆КПД	IDH06G65C6	IDh20G65C6	∆КПД
20%	95,92	95,90	-0,02	97,15	97,11	-0,04
40%	96,49	96,53	+0,04	97,85	97,87	+0,02
60%	96,38	96,42	+0,04	98,07	98,09	+0,02
100%	95,57	95,72	+0,15	98,10	98,16	+0,06

Таблица 2 содержит измеренные значения КПД в случае использования диодов на 6 и 10 А в составе платы, работающей на частоте 65 Гц. Чтобы упростить процесс и более эффективно выполнить сравнение между различными нагрузками по току, разница в КПД для диода на 10 А была вычислена в сравнении с диодом на 6 А. Рисунок 5 иллюстрирует сравнительную эффективность диодов IDH06G65C6 (оранжевая линия) и IDh20G65C6 (зеленая линия), где первый выступает в качестве опорного источника для сравнения.

Рис. 5. Сравнение КПД отладочной платы ККМ на 800 Вт при работе на частоте 65 кГц для диодов IDH06G65C6 и IDh20G65C6

Разница в КПД между графиками для низкого и высокого входного напряжения обусловлена разными токами, протекающими по цепи. Для передачи на выход одинаковой мощности ток при низком входном напряжении (115 В AC) должен быть вдвое больше, чем при высоком  напряжении (230 В AC). При высоком входном напряжении протекающий через диод ККМ ток оказывается меньше, сокращая потери проводимости и обеспечивая более высокий КПД в широком диапазоне нагрузок. PFC-диод работает, учитывая это, в разных областях характеристики при прямом смещении, что приводит к разной эффективности повышающего преобразователя напряжения питания.

Полученный результат показывает, что диод с повышенным номинальным током позволяет улучшить КПД, что связано с меньшими потерями проводимости. В демонстрационной плате замена диода позволяет повысить эффективность до 0,2% при максимальной выходной мощности, когда диод на 6 А заменяется диодом на 10 А.

С другой стороны, диод с пониженным номинальным током лучше работает при малой нагрузке из-за снижения емкостного заряда Qc, что позволяет уменьшить потери при переключении.

Баланс между эффективностью при малой и полной нагрузке и различными номинальными токами ККМ диода дает возможность оптимизировать источник питания таким образом, чтобы наилучшим образом соответствовать требованиям цены и производительности.

Меньшие потери проводимости – пониженная температура диода

Диоды Шоттки CoolSiC™ 650 V G6 обеспечивают более высокую эффективность за счет сниженных потерь мощности, что, в свою очередь, помогает сохранять на более низком уровне температурный режим.

Для того чтобы провести сравнение температур переходов между CoolSiC™ G6 и G5, использовались те же самые диоды – IDH06G65C6 и IDH06G65C5 – на ток 6 А и с прямым падением напряжения 1,25 и 1,5 В соответственно. Анализ проводился с помощью инструмента моделирования PLECS 4.0.4 с точной реализацией тепловых характеристик и механизма формирования потерь имитируемого устройства.

На рисунке 6 представлены результаты теплового моделирования в описанных условиях. График показывает разницу в температуре перехода между CoolSiC™ G6 (красная линия) и G5 (серая линия). Можно видеть, что значение Tj у CoolSiC™ G6 ниже примерно на 1°C после 100 мкс протекания тока.

Рис. 6. Смоделированная температура полупроводникового перехода при V_IN = 90 В AC, F_SW = 130 кГц и P_out = 800 Вт

Защита диода в цепи PFC от броска тока

Для импульсных повышающих источников питания с SiC-диодами Шоттки в цепях PFC важно предусмотреть меры защиты от броска тока с помощью шунтирующего диода. Такие броски могут появиться, например, вследствие возникновения импульсов перенапряжения во входном питающем напряжении.

Ограничение прямого тока через SiC-диод с целью предотвращения его выхода из строя в таком случае реализуется достаточно просто – с помощью биполярного шунтирующего диода, который будет проводить ток только тогда, когда выпрямленное напряжение с диодного моста превышает выходное напряжение. На рисунке 7 показана упрощенная схема защиты с использованием шунтирующего диода.

Рис. 7. Защита цепи PFC с помощью шунтирующего биполярного диода

Шунтирующий биполярный диод не создает никаких дополнительных потерь мощности в нормальном рабочем режиме, потому что он проводит ток только тогда, когда напряжение на аноде выше, чем на катоде.

Диоды Шоттки Infenion CoolSiC™

В таблице 3 представлены диоды Шоттки CoolSiC™ 5 и 6 поколения, выпускаемые компанией Infenion в настоящее время.

Таблица 3. Диоды CoolSiC™ Schottky G5 и G6

Продукт	Номер заказа	Технология	В DC	IF, А	VF	QC, nC	Корпус	I(FSM), А	IR, мкА	CT, пФ
D2PAK real 2pin
IDK02G65C5	IDK02G65C5XTMA2	CoolSiC™ G5	650	2	1,5	4	D2PAK (TO-263-2)	23	0,1	70
IDK03G65C5	IDK03G65C5XTMA2	CoolSiC™ G5	650	3	1,5	5	D2PAK (TO-263-2)	31	0,15	100
IDK04G65C5	IDK04G65C5XTMA2	CoolSiC™ G5	650	4	1,5	7	D2PAK (TO-263-2)	38	0,2	130
IDK05G65C5	IDK05G65C5XTMA2	CoolSiC™ G5	650	5	1,5	8	D2PAK (TO-263-2)	46	0,25	160
IDK06G65C5	IDK06G65C5XTMA2	CoolSiC™ G5	650	6	1,5	10	D2PAK (TO-263-2)	54	0,3	190
IDK08G65C5	IDK08G65C5XTMA2	CoolSiC™ G5	650	8	1,5	13	D2PAK (TO-263-2)	68	0,4	250
IDK09G65C5	IDK09G65C5XTMA2	CoolSiC™ G5	650	9	1,5	14	D2PAK (TO-263-2)	75	0,45	270
IDK10G65C5	IDK10G65C5XTMA2	CoolSiC™ G5	650	10	1,5	15	D2PAK (TO-263-2)	82	0,5	300
IDK12G65C5	IDK12G65C5XTMA2	CoolSiC™ G5	650	12	1,5	18	D2PAK (TO-263-2)	97	0,65	360
DPAK real 2pin
IDM02G120C5	IDM02G120C5XTMA1	CoolSiC™ G5	1200	2	1,4	14	DPAK (TO-252-2)	37	1,2	182
IDM05G120C5	IDM05G120C5XTMA1	CoolSiC™ G5	1200	5	1,5	24	DPAK (TO-252-2)	59	2,5	301
IDM08G120C5	IDM08G120C5XTMA1	CoolSiC™ G5	1200	8	1,65	28	DPAK (TO-252-2)	70	3	365
IDM10G120C5	IDM10G120C5XTMA1	CoolSiC™ G5	1200	10	1,5	41	DPAK (TO-252-2)	99	4	525
ThinPAK
IDL02G65C5	IDL02G65C5XUMA2	CoolSiC™ G5	650	2	1,5	4	ThinPAK 8×8	21	0,1	70
IDL04G65C5	IDL04G65C5XUMA2	CoolSiC™ G5	650	4	1,5	7	ThinPAK 8×8	29	0,2	130
IDL06G65C5	IDL06G65C5XUMA2	CoolSiC™ G5	650	6	1,5	10	ThinPAK 8×8	36	0,3	190
IDL08G65C5	IDL08G65C5XUMA2	CoolSiC™ G5	650	8	1,5	13	ThinPAK 8×8	43	0,4	250
IDL10G65C5	IDL10G65C5XUMA2	CoolSiC™ G5	650	10	1,5	15	ThinPAK 8×8	50	0,5	300
IDL12G65C5	IDL12G65C5XUMA2	CoolSiC™ G5	650	12	1,5	18	ThinPAK 8×8	57	0,65	360
TO-220 real 2pin
IDH02G65C5	IDH02G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	2	1,5	4	TO-220 real 2pin	23	0,1	70
IDH02G120C5	IDH02G120C5XKSA1	CoolSiC™ G5	1200	2	1,4	14	TO-220 real 2pin	37	1,2	182
IDH03G65C5	IDH03G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	3	1,5	5	TO-220 real 2pin	31	0,2	100
IDH04G65C5	IDH04G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	4	1,5	7	TO-220 real 2pin	38	0,2	130
IDH04G65C6	IDH04G65C6XKSA1	CoolSiC™ G6	650	4	1,25	6,9	TO-220 real 2pin	29	0,4	205
IDH05G65C5	IDH05G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	5	1,5	8	TO-220 real 2pin	46	0,3	160
IDH05G120C5	IDH05G120C5XKSA1	CoolSiC™ G5	1200	5	1,5	24	TO-220 real 2pin	59	2,5	301
IDH06G65C5	IDH06G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	6	1,5	10	TO-220 real 2pin	54	0,3	190
IDH06G65C6	IDH06G65C6XKSA1	CoolSiC™ G6	–	6	1,25	9,6	TO-220 real 2pin	38	0,6	302
IDH08G65C5	IDH08G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	8	1,5	13	TO-220 real 2pin	68	0,4	250
IDH08G120C5	IDH08G120C5XKSA1	CoolSiC™ G5	1200	8	1,65	28	TO-220 real 2pin	70	3	365
IDH08G65C6	IDH08G65C6XKSA1	CoolSiC™ G6	650	8	1,25	12,2	TO-220 real 2pin	47	0,8	401
IDH09G65C5	IDH09G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	9	1,5	14	TO-220 real 2pin	75	0,45	270
IDh20G65C5	IDh20G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	10	1,5	15	TO-220 real 2pin	82	0,5	300
IDh20G120C5	IDh20G120C5XKSA1	CoolSiC™ G5	1200	10	1,5	41	TO-220 real 2pin	99	4	525
IDh20G65C6	IDh20G65C6XKSA1	CoolSiC™ G6	650	10	1,25	14,7	TO-220 real 2pin	55	1	495
IDh22G65C5	IDh22G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	12	1,5	18	TO-220 real 2pin	97	0,65	360
IDh22G65C6	IDh22G65C6XKSA1	CoolSiC™ G6	650	12	1,25	17,1	TO-220 real 2pin	64	1,2	594
IDh26G65C5	IDh26G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	16	1,5	23	TO-220 real 2pin	124	0,85	470
IDh26G120C5	IDh26G120C5XKSA1	CoolSiC™ G5	1200	16	1,65	57	TO-220 real 2pin	140	5,5	730
IDh26G65C6	IDh26G65C6XKSA1	CoolSiC™ G6	650	16	1,25	21,5	TO-220 real 2pin	82	1,6	783
IDh30G65C5	IDh30G65C5XKSA2	CoolSiC™ G5	650	20	1,5	29	TO-220 real 2pin	142	1,1	590
IDh30G120C5	IDh30G120C5XKSA1	CoolSiC™ G5	1200	20	1,5	82	TO-220 real 2pin	198	8,5	1050
IDh30G65C6	IDh30G65C6XKSA1	CoolSiC™ 6G	650	20	1,25	26,8	TO-220 real 2pin	99	2	970
TO-247
IDW10G65C5	IDW10G65C5XKSA1	CoolSiC™ G5	650	10	1,5	15	TO-247	58	0,5	300
IDW10G120C5B	IDW10G120C5BFKSA1	CoolSiC™ G5	1200	10	1,4	57	TO-247	140	6	730
IDW20G65C5B	IDW20G65C5BXKSA2	CoolSiC™ G5	650	10	1,5	15	TO-247	58	0,5	300
IDW12G65C5	IDW12G65C5XKSA1	CoolSiC™ G5	650	12	1,5	18	TO-247	71	0,6	360
IDW24G65C5B	IDW24G65C5BXKSA2	CoolSiC™ G5	650	12	1,5	18	TO-247	71	0,6	360
IDW15G120C5B	IDW15G120C5BFKSA1	CoolSiC™ G5	1200	15	1,4	82	TO-247	170	8	1050
IDW16G65C5	IDW16G65C5XKSA1	CoolSiC™ G5	650	16	1,5	23	TO-247	95	0,8	470
IDW32G65C5B	IDW32G65C5BXKSA2	CoolSiC™ G5	650	16	1,5	23	TO-247	95	0,8	470
IDW20G65C5	IDW20G65C5XKSA1	CoolSiC™ G5	650	20	1,5	29	TO-247	103	1,1	590
IDW20G120C5B	IDW20G120C5BFKSA1	CoolSiC™ G5	1200	20	1,4	106	TO-247	190	12	1368
IDW40G65C5B	IDW40G65C5BXKSA2	CoolSiC™ G5	650	20	1,5	29	TO-247	103	1,1	590
IDW30G65C5	IDW30G65C5XKSA1	CoolSiC™ G5	650	30	1,5	42	TO-247	165	1,6	860
IDW30G120C5B	IDW30G120C5BFKSA1	CoolSiC™ G5	1200	30	1,4	154	TO-247	240	17	1980
IDW40G65C5	IDW40G65C5XKSA1	CoolSiC™ G5	650	40	1,5	55	TO-247	182	2,2	1140
IDW40G120C5B	IDW40G120C5BFKSA1	CoolSiC™ G5	1200	40	1,4	202	TO-247	290	23	2592

•••

Наши информационные каналы

Биполярный диод

— силовая микроэлектроника. Устройства и технологии процессов

• Биполярный диод
• Введение

Введение

В главе 2 дано краткое описание p-n-перехода как двухполюсного полупроводникового биполярного устройства, работающего для выпрямления. Переход действует как переключатель, который позволяет току течь в условиях прямого смещения и блокирует ток с помощью гораздо более высокого потенциального барьера в условиях обратного смещения.Итак, простой диод с p-n переходом служит неуправляемым переключателем. В некотором смысле поведение полупроводникового диода задается внутренним p-n переходом, а не каким-либо комбинированным влиянием внешнего управляющего сигнала. Структура диода может быть дополнена механизмом с полевым управлением, называемым диодом с полевым управлением, или аналогичными вариантами для создания возможности внешнего управления (Baliga, 1981; Thapar and Baliga, 1997). Имейте в виду, что полупроводниковый диод также может использоваться для других целей, кроме переключения тока, например.грамм. используется в качестве аттенюатора слабого сигнала без переключения тока. Или, для некоторых приложений, диод изготавливается в интегральных схемах, выступающих в качестве конденсатора в условиях обратного смещения. В этом случае диод не будет пропускать ток, а будет служить конденсатором перехода, управляемым напряжением. Тем не менее, для основных применений силовых полупроводниковых диодов, описанных здесь, основные свойства остаются на режимах переключения и проблемах, связанных с питанием, таких как проводимость тока, блокировка и обратное восстановление.

Существуют различные способы формирования диодной структуры на кремнии и различия, в основном из-за различий в процессах и необходимости интеграции с другими устройствами на одном кремниевом кристалле. Иногда диодная структура формируется как паразитный компонент, интегрированный с другим устройством, например, устройство MOSFET имеет встроенный диод в корпусе. На рис. 3.1 показаны различные диодные структуры, сформированные в результате различных процессов изготовления. Среди них на рис. 3.1 (а) показан простой диод с вертикальным p-n-переходом, полученный диффузионным способом.Рисунок 3.1 (b) — это модель

Рис. 3.1. Различные структуры диодов: (a) вертикальный p-n-диод, (b) вертикальный p-i-n-диод, (c) боковой p-n-диод, (d) боковой p-i-n-диод и (e) корпусный диод MOSFET.

Вертикальный p-i-n-диод

с использованием того же процесса изготовления, что и в (a), но изготовленного на эпи-пластине p + -n ^—. На рис. 3.1 (c) показан боковой p-n-диод, где слой p + очень мелкий и предназначен для омического контакта. Боковой p-n диод подходит для интеграции.На рисунке 3.1 (d) показан боковой p-i-n-диод, использующий n-лунку в CMOS-процессе в качестве области дрейфа. Рисунок 3.1 (e) представляет собой боковую структуру LDD n-MOSFET с p-образным элементом, закороченным на источник (левый контакт n ⁺ ). Затем формируется основной диод между p-образным элементом и контактом стока (правый контакт n +) с дрейфовой областью n-лунок между ними. Внутренний диод может проводить ток в процессе вращения маховика, используемого в преобразователях мощности.

Поведение устройства с переходным диодом определяется двумя основными элементами, а именно переходом и легированием полупроводников внутри устройства.Соединение ведет себя как обратный клапан, который позволяет одному типу носителей проходить, но не другому типу носителей в том же направлении потока. Для более ясного описания концепции возьмем в качестве примера соединение p ⁺ -n. Если переход имеет обратное смещение, то электрическое поле движется от стороны n к стороне p +. В таких условиях переход позволит электронным носителям перемещаться с p + -стороны на n-сторону или в равной степени способен для дырочных носителей перемещаться с n-стороны на p + -сторону.И в то же время электронные носители не могут перемещаться с n-стороны на p + -сторону, а дырочные носители не могут перемещаться со стороны p ⁺ на n-сторону. Эта концепция кажется тривиальной для одного единственного перехода в установившемся режиме, но она становится довольно важной при работе с многопереходным устройством или в переходных условиях, когда электронные и дырочные носители смешиваются в разных областях, а переход с обратным смещением действительно несет текущий поток. Второй элемент, влияющий на поведение, — это уровень допинга.Если область используется для эмиссии носителей, тогда она должна иметь более высокую концентрацию легирования для лучшей эффективности эмиссии и увеличения плотности тока. В противном случае для низкой эффективности излучения это означает недостаточное количество носителей и, в конечном итоге, устройство имеет высокое падение напряжения в открытом состоянии. Если зона служит для поддержания высокого поля, то для повышения напряжения пробоя следует использовать зону дрейфа с более низким уровнем легирования. Высокое удельное сопротивление слаболегированной области в выключенном состоянии может не совпадать с удельным сопротивлением во время проведения тока в открытом состоянии в зависимости от количества избыточных носителей, текущих в эту область.Если большое количество избыточных носителей вводится в слаболегированную область, то инжекция создает эффект, называемый модуляцией проводимости для ситуации, когда в этой области теперь доступно больше свободных носителей, и удельное сопротивление области становится намного ниже для период проведения.

В современных силовых электронных схемах диодное устройство играет важную роль в выпрямлении тока и передаче энергии. Диод с быстрым переключением приводит к меньшим потерям переключения и, в свою очередь, к повышению эффективности системы.Помимо скорости переключения, желательны и другие требуемые характеристики, такие как низкое прямое падение напряжения, низкий ток утечки и возможность работы при высоких температурах. Силовые диоды с барьером Шоттки, изготовленные из перехода металл-кремний, обычно используются для высокоскоростной коммутации из-за меньшего количества избыточных носителей заряда по сравнению с обычными диодами. Однако диод с барьером Шоттки играет ограниченную роль выше 100 В из-за более высокого обратного тока утечки. Диоды p + -n ^— -n + (или называемые p-i-n) могут использоваться для переключения и выпрямления высокого напряжения.Однако скорость переключения относительно медленнее для времени восстановления, необходимого для удаления избыточных носителей в области длительного дрейфа. Силовые GaAs-диоды высокого напряжения теперь коммерчески доступны для высокоскоростных и высокотемпературных коммутационных приложений из-за большей ширины запрещенной зоны по сравнению с кремниевой. Диоды из материала SiC все еще находятся на стадии лабораторных разработок и, надеюсь, скоро появятся на рынке.

В этой главе рассматриваются и обсуждаются физика устройства мощных p + -n ^— -n + и диодов с барьером Шоттки.Экспериментальное исследование высокотемпературных характеристик кремниевого p + -n ^— -n + диода сопровождается полным охватом стационарных свойств кремниевого диода. Кратко описаны диоды из GaAs и SiC. Затем следует переключение переходных диодов. Новые устройства, такие как полевой диод, диод MPS (объединенный p- (i) -n и Шоттки) и синхронный выпрямитель, также описаны в конце главы.

Биполярный диод | Научный.Нетто

Ток, индуцированный оптическим пучком (OBIC), близкий к напряжению пробоя, на биполярном диоде 4H-SiC

Авторы: Доминик Плансон, Бесар Аслани, Хасан Хамад, Мари Лор Локателли, Роксана Арвинте, Кристоф Рейно, Паскаль Бевилаква, Луонг Вьет Фунг

Аннотация: В данной статье представлены измерения OBIC, выполненные при напряжении, близком к пробивному, на двух устройствах с разными дозами JTE.Перегрузка по току была измерена либо на периферии JTE, либо на границе P ⁺ . Такая перегрузка по току возникает из-за увеличения электрического поля вблизи напряжения пробоя. Эта гипотеза подтверждается электролюминесценцией. Моделирование TCAD двух разных доз JTE дало результаты, аналогичные результатам измерений OBIC.

577

Температурная зависимость скорости ионизации 4H-SiC с использованием тока, индуцированного оптическим пучком

Авторы: Хасан Хамад, Кристоф Рейно, Паскаль Бевилаква, Сиго Шарнхольц, Доминик Плансон

Аннотация: Поведение силовых устройств на основе 4H-SiC в суровых условиях с изменяющейся температурой является ключевой характеристикой, указывающей на их надежность.В этой статье показана зависимость скорости ионизации 4H-SiC от температуры. Измерения наведенного оптическим пучком тока (OBIC) проводились на PN-переходах для определения коэффициента умножения для температуры, изменяющейся от 100 до 450K. Это позволяет извлекать скорости ионизации, подбирая кривые коэффициента размножения.

223

Усовершенствования в конструкции торцевых заделок для биполярных диодов 4H-SiC на 10 кВ

Авторы: Дуй Минь Нгуен, Рунхуа Хуанг, Луонг Вьет Фунг, Доминик Плансон, Максим Берту, Филипп Годиньон, Бертран Вернь, Пьер Брослар

Аннотация: Изготовлены биполярные диоды 10 кВ класса 4H-SiC.Были разработаны и испытаны два разных торцевых заделки (Mesa / JTE или MESA / JTE с кольцами JTE) с двумя разными радиусами изгиба стыка. Результаты измерений показывают, что включение колец JTE улучшает эффективность оконечной нагрузки. Измерения показывают также лучшую обратную характеристику диодов с большим радиусом изгиба.

609

Анализ SIMS, применяемый для открытия оптического окна в устройствах 4H-SiC для электрооптических измерений

Авторы: Михай Лазар, Франсуа Жомар, Дай Мин Нгуен, Кристоф Рейно, Гонтран Пак, Сиго Шарнхольц, Доминик Турнье, Доминик Плансон

Аннотация: Изготовлены вертикальные биполярные силовые диоды 4H-SiC с двухслойным металлическим анодным контактом на основе омического контакта Al-Ti-Ni и толстой металлизации Al.Оптическое окно размером 100 × 100 мкм было создано через анодный контакт с оборудованием SIMS Cameca IMS 4F с использованием первичных ионов Cs + при 10 кВ и с размером пятна луча 100 нм. Вольт-амперные характеристики диодов показывают, что процесс SIMS не вызывает увеличения токов утечки ни при прямом, ни при обратном смещении. Фотогенерация OBIC UV происходит под оптическим окном, а не под контактным металлом.

885

Пин-диоды на 600 В, изготовленные из карбида кремния On-Axis 4H

Авторы: Габриэль Сиврак, Фара Лаариед, Николя Тьерри-Джебали, Михай Лазар, Доминик Плансон, Пьер Бросслар, Джавад Хассан, Энн Генри, Эрик Янзен, Бертран Вернь, Сиго Шарнхольц

Аннотация: В данной статье описывается изготовление и электрические характеристики диодов PiN на осевом эпитаксиальном слое.Моделирование TCAD было выполнено, чтобы спроектировать их архитектуру. Некоторые из этих диодов имеют напряжение пробоя около 600 В. Проведено сравнение с аналогичными диодами, изготовленными на выращенных слоях с обрезкой. Компьютерное моделирование используется для объяснения более низкого напряжения пробоя, чем ожидалось.

969

Биполярная деградация высоковольтных диодов 4H-SiC p-i-n в импульсном режиме

Авторы: Майкл Э.Левинштейн, Павел А. Иванов, Джон В. Палмор, Анант К. Агарвал, Мринал К. Дас

Аннотация: Сообщается об особенностях деградации прямого напряжения 4H-SiC p-i-n диодов в импульсном режиме. Показано, что импульсные напряжения с длительностью импульса менее нескольких миллисекунд вызывают существенно меньший дрейф прямого напряжения по сравнению с напряжением постоянного тока при том же заряде, прошедшем через диоды, и одинаковом распределении инжектированных носителей.Самовосстановление прямого напряжения наблюдается при комнатной температуре.

539

Оптический анализ внутреннего электронного и теплового поведения биполярных устройств на основе 4H-SiC

Авторы: Доротея Вербер, Мартин Айгнер, Герхард Вахутка

Аннотация: Два различных метода оптических измерений были объединены на одной экспериментальной платформе, чтобы обеспечить детальное понимание внутренней части биполярных устройств 4H-SiC с точки зрения их связанных электронных и тепловых характеристик: во-первых, измерения поглощения свободных носителей (FCA) дают время — разрешенные профили плотности электронов и дырок при включении и в стационарных условиях; и, во-вторых, измерения отклонения света предоставляют информацию о градиентах плотности электронов и дырок, а также о градиенте температуры.Полный процесс измерения также моделируется на компьютере в виде «виртуального эксперимента» на основе высокоточных моделей физических устройств. Исследования биполярных диодов 4H-SiC с высокой степенью блокировки служат примером методологии оптического зондирования и численного моделирования.

1041

4H-SiC PiN-диоды, изготовленные методом низкотемпературного галоуглеродного эпитаксиального роста

Авторы: Бхарат Кришнан, Джозеф Нил Меррет, Галина Мельничук, Ярослав Кошка

Аннотация: В данной работе были исследованы преимущества низкотемпературного эпитаксиального роста галогенуглерода при 1300 ° C для формирования анодов 4H-SiC PiN-диодов.Эпитаксиальный рост при регулярной температуре использовали для формирования дрейфовой области n-типа толщиной 8,6 мкм с чистой концентрацией доноров 6,45 × 1015 см-3. Легирование триметилалюминием in situ во время сплошного низкотемпературного эпитаксиального роста с галогенуглеродом использовалось для формирования сильно легированных слоев p-типа. Прямые ВАХ, измеренные для диодов с разными площадями анода, показали, что новый метод эпитаксиального роста обеспечивает аноды с низкими значениями последовательного сопротивления даже без контактного отжига. При комнатной температуре диод диаметром 100 мкм имел прямое напряжение 3.75 В при 1000 А / см² до отжига и 3,23 В после отжига в течение 2 минут при 750 ° C. Напряжение обратного пробоя составляло более 680 В (в среднем) в устройствах без торцевого заделки или пассивирования поверхности.

925

Эффективность сбора заряда диодов 6H-SiC P ⁺ N, деградированных под действием низкоэнергетического электронного облучения

Авторы: Наоя Ивамото, Синобу Онода, Такеши Осима, Кадзутоши Кодзима, Ацуши Коидзуми, Кадзуо Учида, Синдзи Нодзаки.

Аннотация: Исследовано влияние электронного облучения на эффективность сбора заряда p + n-диода из 6H-SiC.Диоды облучались электронами с энергиями от 100 кэВ до 1 МэВ. Эффективность сбора заряда образцов измерялась для альфа-частиц до и после электронного облучения. Облучение электронами при 100 кэВ не влияет на эффективность сбора заряда, в то время как облучение электронами при 200 кэВ или выше снижает эффективность сбора заряда. Степень деградации диодов коррелирует с энергией электронного облучения.

921

Анализ высоких токов утечки в 4H SiC pn диодах, имплантированных Al ⁺ , вызванных резьбовыми вывихами

Авторы: Такаши Цудзи, Т.Тавара, Риохей Танума, Ёсиюки Ёнэдзава, Нориюки Ивамуро, К. Косака, Х. Юримото, С. Кобаяши, Хирофуми Мацухата, Кендзи Фукуда, Хадзимэ Окумура, Кадзуо Араи

Аннотация: Изготовлены pn-диоды с имплантацией Al + в эпитаксиальных слоях p-типа и исследовано влияние дозы имплантации на токи обратного утечки. Только в самой высокой дозе с концентрацией Al 2х1020см-3 более 90% устройств показали высокие токи утечки, превышающие 10-4А, при максимальном электрическом поле 3МВ / см.В таких устройствах почти все эмиссионные пятна соответствовали продвижению винтовых дислокаций (TSD) согласно анализу эмиссионной микроскопии и рентгеновской топографии. Эти TSD были определены как дефекты-убийцы с расчетной плотностью 500 см-2 в случае максимальной дозы. Предполагалось, что излучение связано с микроплазмой, поскольку спектры излучения отличались от спектров теплового излучения. Конденсация атомов Al, атомов азота и дефектов DI была исключена как источник эмиссии с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов и низкотемпературной фотолюминесценции.

913

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Полупроводниковый прибор

| электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке 1 показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, обладают высокой проводимостью, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр.Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.

Электропроводность полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси определенного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков (, то есть в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов.Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Часть периодической таблицы элементов, относящихся к полупроводникам

период	столбец
	II	III	IV	V	VI
2		бор B	углерод C	азот N
3	магний мг	алюминий Al	кремний Si	фосфор P	сера S
4	цинк Zn	галлий Ga	германий Ge	мышьяк As	селен Se
5	кадмий Cd	индий В	олово Sn	сурьма Sb	теллур Te
6	ртуть Hg		свинец Pb

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства имеют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO ₂ ), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими в кремнии.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы — т. Е. атомы расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление кристалла собственного кремния, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (, т.е. при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой приводит к , т.е. электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества носителей заряда (, т.е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) — , т.е. электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поле в один вольт на сантиметр — при подвижности дырок 500 см ² / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «дарится» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же на рисунке 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон «принимается» для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и в атоме бора создается положительно заряженная дырка. валентная полоса. Это полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

SCIRP Открытый доступ

Иоахим Моба Ндонгила, Алиоха Нкодила Натухойла, Матье Лопоссо Нкуму, Люк Мокасса Бакумо Батане, Дезире Машинда Кулимба, Гленни Нсамби, Анатоль Кибади Капай, Дьедонне Монинджо Боламба

Huijuan Lu, Cunjian Yi

Муханед Альхассан, Хатем Аль-Саади

Палома Алмейда Ковальски, Жоао Педро Арантес да Кунья, Эрика Канета Ферри, Наталия Сцильяно, Рэйчел Карвалью Лемос, Эмили Руис Кавальканте, Витор Кейси Медейрос Катаока, Фабиана Морейра Коутиньо, Эльтон Хироюки Итамура Марзия, Леонардо Габриэль, Леонардо Марзия Роке Рибейро, Лукас Матеус Пинто, Савио Карвалью Кобианки, Пауло Отавио Соуза Леонель

Муаз Эльсайед, Омер Аладил Абдалла Хамид, Райан Тонга, Сара Мисбах Эльсадиг, Мохамед Хасан Ахмед, Мусааб Ахмед, Мохамед Халафаллах Саид

Амината П.Накулма, Мусса Компаоре, Наамвин-со-Бауфу Ромарик Меда, Лоран Поттье, Вероник Мегалицци, Исса Соме, Мартин Киендребеого

Диоды с PN переходом

и транзисторы BJT: введение

Эта статья представляет собой краткое введение в диоды с переходом PN и транзисторы BJT.

Легирующий кремний: полупроводники N-типа и P-типа

PN-переходы играют важную роль в производстве полупроводников для интегральных схем.{16}} $ носителей свободных электронов и дырок на 1 см3 в чистом кремнии.

Если мы легируем кремний примесью с валентностью пять (что эквивалентно пяти электронам на внешней оболочке), такой как фосфор (P) или мышьяк (As), мы помещаем дополнительные свободные электроны в кристалл кремния. Поэтому такая примесь известна как донор , а легированная область называется областью n-типа. В этой области n-типа количество свободных электронов n _n приблизительно равно концентрации примесного легирования N _D , а количество дырок определяется выражением:

\ [{{p} _ {n}} = \ frac {n_ {i} ^ {2}} {{{N} _ {D}}} \]

Формирование диодов с PN переходом

Чтобы сформировать диод с PN переходом, одна часть полупроводника легирована как область n-типа и поверх нее, другая часть легирована как область p-типа.{2}} \]

Где $ {{V} _ {T}} = \ frac {kT} {q} \ приблизительно 26 мВ $ при комнатной температуре, T — температура в градусах Кельвина, k — постоянная Больцмана (1,38 × 10−23JK), q — заряд электрона (1,6 × 10 ⁻¹⁹ кулонов).

Положительное напряжение смещения

Если мы подадим положительное напряжение смещения со стороны p на сторону n диода с PN-переходом, это уменьшит электрическое поле, препятствующее диффузии свободных носителей через область обеднения, а также ширина области истощения.{{{V} _ {D}}} / {} _ {{{V} _ {T}}}}} \]

Где V _D — напряжение, приложенное к диоду, а I _S — масштабированный ток пропорционален площади диодного перехода и обратно пропорционален концентрации легирования. Экспоненциальная зависимость возникает при решении дифференциального уравнения первого порядка в соответствии с законом диффузии Фика.

Отрицательное напряжение смещения

С другой стороны, если мы подадим отрицательное напряжение смещения со стороны p на сторону n, т.е.е. При положительном напряжении смещения со стороны n на сторону p, диод с PN-переходом находится в области обратного смещения и имеет небольшой ток утечки из-за неосновных носителей (дырок и электронов) вблизи области обеднения. Однако в критическом электрическом поле носители, пересекающие область обеднения, приобретают достаточно энергии для создания новых пар дырка-электрон при столкновениях с атомами кремния, вызывая лавинный пробой и внезапное увеличение тока утечки обратного смещения (недавно созданный перевозчики также производят больше новых перевозчиков).

Типичная ВАХ для переходного диода показана ниже:

Биполярный переходный транзистор

Точно так же биполярный переходный транзистор состоит из двух PN-переходов (PNP или NPN), как показано ниже. Возьмем в качестве примера биполярный транзистор NPN:

Если напряжение база-эмиттер меньше, чем напряжение прямого смещения PN-перехода, которое составляет около 0,5 В, транзистор будет отключен, и ток не будет течь от эмиттера к коллектору.

Когда напряжение база-эмиттер достаточно велико для включения PN перехода, небольшой ток будет течь от базы к эмиттеру.

Однако от коллектора к эмиттеру будет течь гораздо больший пропорциональный ток, поскольку ширина базы довольно мала. Следовательно, биполярный транзистор является усилителем тока, поскольку мы можем управлять током от коллектора к эмиттеру, регулируя ток от базы к эмиттеру.

Соответственно, PNP-транзистор показан ниже:

PNP-транзистор ведет себя как NPN-транзистор в обратном направлении.

Если напряжение эмиттер-база меньше напряжения прямого смещения PN-перехода, которое составляет около 0,5 В, транзистор будет отключен, и ток не будет течь от эмиттера к коллектору.

Когда напряжение эмиттер-база достаточно велико для включения PN перехода, небольшой ток будет течь от эмиттера к базе. Понятно, что необходимое V _BE для включения NPN-транзистора составляет около 0,5 В, а необходимое V _BE для включения PNP-транзистора составляет около -0.{{{V} _ {BE}}} / {} _ {{{V} _ {T}}}}} \]

Мы также часто определяем

\ [{{I} _ {C}} = \ alpha {{I} _ {E}} \]

Где

\ [\ alpha = \ frac {\ beta +1} {\ beta} \]

Ссылки

Проектирование аналоговых интегральных схем, 2-й Издание, Тони Чан Карузон, Дэвид А. Джонс и Кеннет В. Мартин

Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем, 4-е издание, Пол Р. Грей, Пол Дж. Херст, Стивен Х. Льюис и Роберт Г. Мейер

Дизайн аналоговых КМОП интегральных схем, 1-е издание, Бехзад Разави

Полусечение биполярного диода.

Контекст 1

… карбид является многообещающим материалом для высоковольтных выпрямительных диодов из-за его широкой запрещенной зоны и высокого критического электрического поля. Его термическая стабильность — шанс для применения при высоких температурах. В течение многих лет было изготовлено несколько выпрямительных диодов, характеризующихся напряжением пробоя V br. Для диодов Шоттки максимальное значение V br, которое было получено, составляет около 2,5 кВ Ref. 1 ͒ и 1,2 кВ. 2 Для pn-переходов несколько групп рабочих повысили этот предел напряжения до 4.5 кВ. 3 Мы изготовили pn-переходы путем имплантации азота в эпитаксиальный слой p-типа с низким содержанием примесей, в результате чего получился n эмиттер. Тогда стык имел форму мезы. Чтобы исследовать глубокие уровни, в конечном итоге созданные этим видом имплантации, мы выполнили исследования адмиттанса и переходной спектроскопии глубоких уровней (DLTS). После краткого описания образцов и результатов вольт-амперных измерений прокомментируем основные результаты наших экспериментов. Биполярные диоды n pp были изготовлены в CEA-LETI на 1 дюйм.Пластина 6H-SiC от Cree Research. Пластина состоит из эпитаксиального слоя p-типа ͑ с заданной толщиной 8 мкм и чистым уровнем легирования в несколько 10 см, выращенного на подложке p-типа (см. Рис. 1). Эмиттерный слой n ϩ-типа получается пятикратной имплантацией ионов N с энергиями от 20 до 170 кэВ и дозами от 10 14 до 8,5 Â 10 14 см 2 для общей дозы 1,8 Â 10 15 см 2. Затем образцы были отожжены при 1100 ° C. При таком значении толщина эмиттера около 0.3 ␮ м. Поэтому ожидается, что толщина области основания составит 7,7 мкм. Измерения на эффекте Холла показали, что концентрация электронов в эмиттере составляет всего 2 Â 10 17 см 3, что указывает на то, что около 1% имплантированных ионов электрически активированы. Круглые меза-устройства были сформированы путем плазменного травления ͓ в реакторе с распределенным электронным циклотронным резонансом DECR с использованием газовой смеси SF 6 / O 2 поверхности через алюминиевую маску. Таким образом были получены квазивертикальные мезаструктуры глубиной ͑␣ ϭ 7 ° ͒ 5,7 мкм с семью диаметрами d от 100 до 1200 мкм.Пассивация протравленных поверхностей была осуществлена ​​путем нанесения слоя SiO 2 толщиной 650 нм. Омические контакты были получены распылением W с последующим отжигом при 1070 ° C в течение 60 с и испарением Al на эмиттере n и на подложке p соответственно. Подобные диоды были реализованы в тех же условиях процесса на эпитаксиальных слоях n -типа толщиной 0,6 мкм ͒ от Cree Research. Токи были измерены с помощью измерительного блока источника Keithley 237. На рис. 2 показаны характеристики прямого тока, измеренные как функция приложенного напряжения и температуры на диоде диаметром 200 мкм.Для практических соображений кривые можно разделить на три области, которые определены на рис. 2. В области 2 коэффициент идеальности n 1,9 при комнатной температуре и уменьшается до n 1,5 при T 673 К. Основной механизм задействован. в данном случае — это ток генерации-рекомбинации. Когда температура увеличивается, увеличивается и вклад процесса диффузии, что приводит к уменьшению n с 2 до 1. График зависимости I s от 1 / T в полулогарифмическом масштабе, где I s — ток насыщения, определяемый как I ϭ I s exp. (qV / nkT) показывает, что энергия активации E a для I s изменяется в зависимости от T.Для 313 Ͻ T Ͻ 593 K, E a ϭ 1,7 эВ, что близко к теоретическому значению средней щели. Последовательное сопротивление R s область 3 также зависит от температуры. При комнатной температуре R s 500 и уменьшается до R s ϭ 130 при 673 K. Уменьшение последовательного сопротивления можно объяснить ионизацией легирующих примесей в подложке и эпитаксиальном слое. В нижней части значений V f область 1 характеристики были проанализированы с точки зрения сопротивления шунта. Подробности о температурной активации постоянного и обратного токов будут даны в работе.4. Напряжение пробоя находится в диапазоне от 400 до 600 В, когда диоды испытываются в окружающей среде, с моделируемым значением 770 В для мезодиода. Отметим также, что поломка происходит на периферии устройства. Однако хорошее качество перехода: ia относительно низкое последовательное сопротивление и ͑ ii ͒ низкие токи утечки ͑ 10 Ϫ 10 A до 25 В для диода диаметром 1000 мкм при комнатной температуре позволяет нам обеспечить полную проводимость и DLTS-анализ. Емкость C и проводимость G диодов были измерены с помощью анализатора импеданса HP4284 с сигналом переменного тока 20 мВ и частотой f 10 кГц.На рисунке 3 показано изменение емкости в зависимости от приложенного напряжения V и зависимость 1 / C 2 от V. Как мы видим, C примерно постоянна для обратного напряжения более 0 В, что типично для очень слаболегированных слоев, почти полностью обедненных встроенным потенциалом. Мы также можем рассчитать профиль легирования перехода, представленный как функцию температуры на рис. 4. Средний уровень легирования очень низок (ϳ 10 14 см 3) и, кажется, увеличивается с температурой; такое изменение могло быть связано с захватом основных носителей на глубокие уровни в довольно высокой концентрации или с ионизацией акцепторов.Отметим также, что: i ͒ толщина слоя p-типа составляет около 5 мкм, что меньше ожидаемого значения ͑ 7,7 мкм согласно Cree ͒; ͑ ii ͒ отношение C / S, где S — площадь диода, является постоянным для d 400 мкм, но для d 400 мкм C / S увеличивается при уменьшении d, что, как правило, доказывает, что периферия шаги C трех пиков в зависимости от площади диода. Эти вариации являются линейными с коэффициентом линейной регрессии выше 0,995 ͒, что указывает на то, что три дефекта P 1, P 2 и P 3 распределены довольно однородно по всей площади области пространственного заряда, что, как правило, доказывает, что они не являются имеют периферийное происхождение.Что касается P 1 и P 2, это согласуется с предполагаемым происхождением этих уровней (азот для P 1, алюминий для P 2). В случае P 3 это указывает на то, что P 3 является результатом имплантации N, а не пассивации поверхности или травления мезы. Обратите внимание, что два пика P 2 и P 3 не появляются для обратных смещений выше 0 В, как показано на рис. 5. Тот факт, что P 2 и P 3 исчезают, может быть из-за относительно низкой точности метода проводимости. Для большей чувствительности мы использовали технологии DLTS. Емкостная нестационарная спектроскопия глубоких уровней была проведена на диоде диаметром 1000 мкм, чтобы более точно охарактеризовать третью ловушку P 3.На рисунке 8 показаны спектры DLTS, полученные при обратном смещении V r, изменяющемся от Ϫ 3 до 0 В, и импульсе заполнения V p, равном 1 В, скорость излучения в этом случае составляет 465,1 с 1. Сигнал DLTS дает пик при 250 K, амплитуда которого зависит от условий смещения. Этот пик относится к ловушке основных носителей заряда в концентрациях 1 — 2 Â 10 12 см Ϫ 3. Сигнатура ловушки представлена ​​на рис. 6. Она дает энергию активации 0,49 эВ и сечение захвата 8,9 Â 10 Â 15 см 2, что очень хорошо согласуется с результатами по адмиттансу (см. Таблицу I).Как показано на рис. 9, нормализованная амплитуда пика линейно уменьшается с обратным смещением, показывая, что концентрация дефектов уменьшается при удалении от границы перехода. Профиль концентрации ловушек, полученный с помощью двойного DLTS DDLTS, приведен более подробно в [5]. 12. Более того, измерения DLTS и адмиттанса на аналогичных диодах, но с эпитаксиальным слоем n в качестве эмиттера, не показывают такого дефекта при 0,49 эВ. Таким образом, можно сделать вывод, что этот дефект связан с имплантацией азота.Теперь вопрос состоит в том, чтобы определить, является ли дефект ловушкой электронов в гипотетическом слое n -типа или ловушкой дырок в слое p-типа. Что касается материалов n-типа, ловушки, расположенные на 0,51 эВ ниже зоны проводимости, были созданы после имплантации ионов дейтерия, но исчезают после отжига. 13 Что касается материалов p-типа, то, насколько нам известно, такая дырочная ловушка не описывалась в литературе. Измерения электролюминесценции могут дать нам ответ. На рис.10 представлены спектры электролюминесценции, полученные на диодах с имплантированным и эпитаксиальным слоем n.Только имплантированный диод излучает свет с двумя основными длинами волн: 435 3 нм ͑ в синем диапазоне ͒ и при 520 Ϯ 10 нм ͑ в зеленом диапазоне ͒, которые соответствуют энергии 2,85 0,02 и 2,38 0,04 эВ, соответственно. Предполагая, что ширина запрещенной зоны составляет 3 эВ, эти пики могут соответствовать, соответственно, переходу i ͒ между валентной зоной и уровнем азота, расположенным при E c Ϫ 0,15 эВ; ͑ ii ͒ между уровнем азота и уровнем, находящимся на 0,47 Ϯ 0,04 эВ выше валентной зоны. Это излучение зеленого света, вероятно, так же, как и зеленое свечение, генерируемое центром i, 14, связано с ловушкой, обнаруженной в N-имплантированных диодах в наших предыдущих электрических измерениях с энергией 0.49 эВ, поскольку он не появляется в аналогичных диодах с эпитаксиальным n эмиттером. Таким образом, можно сделать вывод, что эта ловушка является ловушкой для дырок, расположенной на 0,49 эВ выше валентной зоны. Электрические измерения были выполнены на pn переходах с геометрией мезы. Вольт-фарадный анализ показывает скорее легирование, чем однородный профиль. Спектроскопия адмиттанса и DLTS выявили наличие дефекта в относительно высокой концентрации (1-2 Â 10 12 см Ϫ 3) с энергией активации 0.49 эВ и сечение захвата 7 — 9 Â 10 Â 15 см 2. Есть веские основания полагать, что этот дефект является ловушкой дырки и локализован близко к границе стыка. Поскольку он не проявляется на аналогичном переходе с эпитаксиальным эмиттером n, мы заключаем, что этот дефект связан с имплантацией азота в слой p-типа, выполненной для изготовления эмиттера n. Благодарим Gircep, DRET и Schneider Electric за финансовую поддержку, T. Billon и P. Lassagne CEA-LETI и F. Lanois CEGELY за техническую поддержку в изготовлении структуры и измерении электролюминесценции.