Полупроводниковые диоды
время создано множество различных типов полупроводниковых
диодов.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования пе-
ременного тока в постоянный.Их основные параметры: I__пр max
__-__максимальный прямой ток__; __V__пр_^^&-__- падение напряжения на диоде
при прямом смещении и заданном токе;I__обр__ __-__ток через диод при
обратном смещении и заданном напряжении;V__обр max__ - макси-
мальное обратное напряжение; f-диапазон частот,в котором
выпрямленный ток не снижается меньше заданного уровня.
По величине выпрямленного тока выпрямительные диоды
малой(I__пр < 0,3А),__средней (0,3 A
__>10A)__ мощности. Для создания выпрямительных диодов приме-
няются плоскостные p-n-переходы,полученные сплавлением и
диффузией.Высокие значения I__пр__ обеспечиваются использова-
нием p-n-переходов с большой площадью.
Большие значения V__обр__ max достигаются использованием в ка-
честве базы диода материала с высоким удельным сопротивле-
нием.Наибольшие значения V__обр__ max могут быть получены при
использовании p-i-n-диода,так ширина области объемного заря-
да в нем наибольшая,а следовательно,наибольшее и значение
напряжение пробоя.Так как с изменением температуры V__обр__ max
изменяется, то его значение дается для определенной темпера-
туры (обычно комнатную).
При больших Iпр в диоде, вследствие падения напряжения на
нем, выделяется тепло.Поэтому выпрямительные диоды отличают-
ся от остальных типов диодов большими размерами корпуса и
внешних выводов для улучшения теплоотвода.
Выпрямительные диоды изготавливают в настоящее время в ос-
новном из кремния и германия.Кремниевые диоды позволяют по-
лучать высокие обратные напряжения пробоя, так как удельное
сопротивление собственного кремния (p 10 Ом см) много
больше удельного сопротивления собственного германия(p 50 Ом
см).Кроме этого, кремниевые диоды оказываются работоспособ-
ными в большем интервале температур (-60...+125С),поскольку
ширина запрещенной зоны в кремнии(1,12эВ)больше, чем в гер-
мании(0,72эВ), а следовательно, обратный ток меньше(1,46).
Германиевые диоды работоспособны в меньшем интервале темпе-
ратур(-60...+85C),однако их выгоднее применять при выпрямле-
нии низких напряжений, так как V__пр__ для германиевых
диодов(0,3...0,8 B ) меньше, чем для кремниевых(до
1,2В).Следовательно, меньше будет и мощность, рассеиваемая
внутри германиевого диода.
Полупроводниковые диоды, на вольт-амперной характеристи-
ке которых имеется участок со слабой зависимостью напряже-
ния от тока,называются стабилитронами.Таким участком являет-
ся участок пробоя p-n-перехода.Для изготовления стабилитро-
нов используют кремний, так как обратный ток кремниевых дио-
дов, по сравнению с германиевыми, меньше зависят от темпера-
туры,а следовательно, вероятность теплового пробоя в них
меньше и напряжение на участке пробоя (лавинного или тун-
нельного)почти не изменяется с изменением тока.
Основные параметры стабилитронов:V__ст__-напряжение стабилиза-
ции;Iст min-минимальный ток,с которого начинается стабилиза-
ция напряжения;R__д__=dV/dI-дифференциальное сопротивление (в
рабочей точке);R__стат__=V/I-статическое сопротивление (в рабо-
чей точке); Q=Rд/R__стат__-коэффициент качества;
ТНК=(1/V__ст__)(dV__ст__/dT)-температурный коэффициент напряжения
стабилизации.
Стабилитроны изготавливаются с различными значениями
Vст,от 3 до 200 В.
Для диодов с V__ст__>7В ширина p-n-перехода
достаточно велика и механизм пробоя лавинный. С ростом тем-
пературы обратный ток диода увеличивается, так-же увеличи-
вается и напряжение пробоя. Это обусловлено тем, что тепло-
вое рассеяние увеличивается, длина свободного пробега носи-
телей уменьшается и к p-n-переходу требуется приложить
большее напряжение, чтобы носители заряда на большем пути
(равном длине свободного пробега) набрали кинетическую энер-
гию, достаточную для ионизации.
В диодах с V__ст__<7В ширина p-n-перехода мала и наряду с ла-
винным механизмом действует и туннельный.
Конструктивно стабилитроны изготавливаются подобно выпря-
мительным диодам, и их можно использовать вместо диодов.
__Импульсные Диоды
Импульсными называются диоды, которые могут работать с
временами переключения 1 мкс и меньше. Высокочастотными -
выпрямительные диоды, предназначенные для работы на часто-
тах до 150 МГц и выше.
Большое влияние на характеристики p-n-перехода на высоких
частотах оказывает зарядная емкость. Ее влияние проявляется
в шунтировании p-n-перехода на высоких частотах и ухудшении
выпрямляющих свойств. В импульсных диодах наличие зарядной
емкости приводит к искажению формы импульса. Поэтому им-
пульсные и высокочастотные диоды характеризуются как малым
значением диффузионной емкости так и малым значением заряд-
ной емкости. Малое значение зарядной емкости достигается
уменьшением площади p-n-перехода. Поэтому основная конструк-
тивная задача заключается в уменьшении площади p-n-перехода.
Для изготовления импульсных и высокочастотных диодов
используют германий и кремний. Преимуществом диодов из гер-
мания является малое значение падения напряжения на диоде
при прямом смещении, что существенно при работе диодов при
малых сигналах.
Представляет интерес создание импульсных и высокочастот-
ных диодов на основе гетеропереходов с одним типом проводи-
мости, например, n1-n2.
Если работа выхода электронов
из широкозонного полупроводника
меньше, чем из узкозонного, то
энергетическая диаграмма n1-n2-
гетероперехода может быть пред-
ставлена в виде (Рис. 1)
Рис. 1
При подаче напряжения на гетеропереход, например положи-
тельного на n2, а отрицательного на n1-полупроводник, элек-
троны из n1-полупроводника смогут переходить в n2-полупро-
водник. Через гетеропереход протекает ток, и такую поляр-
ность внешнего напряжения можно назвать прямой.
При обратном смещении электроны из n2-полупроводника бу-
дут скатываться в потенциальную яму перед переходом, пройти
который они не могут, так как перед ними находится потен-
циальный барьер. Обратный ток может образоваться только за
счет туннельного перехода электронов из n2-полупроводника
через потенциальный барьер и за счет перехода дырок из n1- в
n2-полупроводник. Для его уменьшения первый полупроводник
должен быть достаточно сильно легирован, чтобы концентрация
неосновных носителей была мала, а ширина перехода должна
быть достаточно большой, чтобы электроны из n2-полупроводни-
ка не смогли туннелировать через потенциальный барьер.
__Диоды Шоттки
Для создания диодов Шоттки используется контакт метал-по-
лупроводник. Диоды Шоттки отличаются тем, что их работа ос-
нована на переносе основных носителей. При прямом смещении
электроны из полупроводника переходят в металл. Их энергия
на больше энергии электронов в металле. Электроны из полуп-
роводника быстро (примерно за 10 с) теряют на соударениях
свою избыточную энергию и не могут возвратиться в полупро-
водник. В диодах Шоттки не происходит накопления заряда
неосновных носителей (обуславливающее снижение быстродей-
ствия p-n-перехода), поэтому они особенно перспективны для
использования в качестве сверхбыстродействующих импульсных и
высокочастотных диодов. Типичное время восстановления обрат-
ного сопротивления диода Шоттки на основе, например Au-Si,
порядка 10 пс и менее.
__Фотодиоды
Если подать на диод обратное смещение, он может использо-
ваться в качестве фотоприемника, ток которого зависит от ос-
вещения. При достаточно больших обратных напряжениях
вольт-амперная характеристика (рис. 2) запишется так:
_ I__=-(_ I__нас__+_ I__ф)__=-_ I__нас__-_ qc__B_ S__Ф
т.е. ток не зависит от
напряжения, а опреде-
ляется только интенсив-
ностью света.
Рис. 2
Для увеличения чувствительности фотодиода может использо-
ваться эффект лавинного умножения носителей в области объем-
ного заряда p-n-перехода. К недостаткам лавинного фотодиода
следует отнести, во-первых зависимость _ М __от интенсивности
света и, во-вторых, жесткие требования к стабильности питаю-
щего напряжения (0,01... 0,2 %), так-как коэфициент умноже-
ния_ М __сильно зависит от напряжения.
Инерционные свойства фотодиодов можно характеризовать пре-
дельной рабочей частотой (частота модуляции света, на кото-
рой амплитуда фотоответа уменьшается до 0,7 от
максимальной), постоянной времени фотоответа (определяемой
по времени наростания импульса фотоответа до 0,63 до макси-
мального, при прямоугольном импульсе света), сдвигом фаз
между входным (световым) и выходным (электрическим) сигналом.
В общем случае, инерционность фотодиодов определяется тре-
мя основными параметрами: временем диффузии неравновесных
носителей через базу ; временем их полета через область
объемного заряда p-n-перехода ; RC-постоянной. Время
диффузии носителей через базу определено как:
=W_ __ /2_ D__p
Время полета носителей через область область объемного заря-
да (шириной _ d__)_ __можно оценить как =_ d__/V__max, __где V__max __- мак-
симальная скорость движения носителей в электрическом поле,
которая при больших полях не зависит от напряженности элек-
трического поля вследствии уменьшения подвижности в силовых
полях.
Высоким быстродействием обладают фотодиоды на основе
барьера Шоттки. В типичной структуре такого диода через тон-
кую полупрозрачную пленку металла и поглощается в основном в
области объемного заряда полупроводника. Следовательно, ин-
нерционность обуславливается только временами __ i__ и __rc__.
Малое значение обуславливается узкой областью объемного
заряда, а небольшое значение получается за счет того,
что удельное сопротивление металла много меньше, чем полуп-
роводника, и соответственно меньше. Основными переносчи-
ками тока через контакт в этом случае являются дырки полуп-
роводника, которые практически мгновенно рекомбинируют с
электронами в металле.
__Светодиоды
Энергетической характеристикой излучающих диодов (свето-
диодов) является квантовая эффективность, которая опреде-
ляется как отношение числа излучаемых во вне фотонов к чис-
лу электронов, проходящих через p-n-переход. Хотя эта вели-
чина теоретически может достигать 100%, практически она по-
рядка 0,1...1%. Это объясняется большой долей безизлуча-
тельных переходов в общем рекомбинационном процессе и малос-
тью доли фотонов, выходящих из светодиода. С понижением тем-
пературы вероятность излучательной рекомбинации растет и
квантовая эффективность увеличивается.
Отличительными особенностями светодиодов по сравнению с
обычными источниками света являются малые размеры, малые ра-
бочие напряжения, высокое быстродействие (__~__10__ __c) и большой
срок службы. Светодиоды находят широкое применение для схем
автоматики, световых табло, оптронов.
__Туннельные Диоды
Туннельный диод является с вольт-амперной характеристикой
N-типа, работа которого основана на туннельном прохождении
носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода.
Как известно, вероятность туннельного прохождения частиц че-
рез потенциальный барьер растет с уменьшением его ширины.
Поэтому для создания туннельных диодов используют p-n-пере-
ходы с узкой областью объёмного заряда. Другим требованием к
материалу туннельного для диода является необходимость вы-
рождения p- и n- областей. Полупроводники становяться вырож-
денными при сильном легировании. Уровень Ферми в этом слу-
чае расположен в разрешенной зоне. С повышением концентра-
ции примесей уменьшается и ширина области объемного заряда
p-n-перехода (при N__a__=N__d__=10 см,d 10 см). Таким образом,
сильным легированием областей p-n-перехода достигается вы-
рождение p- и n- полупроводников и малое значение ширины
p-n-перехода.
Эквивалентная схема _ R
туннельного диода может__ __???____??__?
быть представлена в виде__ Є????__? _ C__ ??____??
???Є
(Рис. 3). __ __???___???__? _ r__ _ L
__ __ Рис. 3
Она состоит из дифференциального сопротивления p-n-перехо-
да _ R__, зарядной ёмкости _ C__, сопротивления потерь _ r, __индуктив-
ности выводов_ L. __Емкость корпуса туннельного диода можно
учесть в схеме внешней цепи, поэтому мы её для простоты
опустим. Перенос тока в туннельном диоде при V
ных диодах. Скорость распростронения процесса опреде-
ляется временем релаксации. Это время порядка 10...
10 с и оно не ограничивает частотные свойства прибора.
Поэтому в эквивалентной схеме отсутствует диффузионная
ёмкость p-n-перехода, а все остальные элементы практически
не зависят от частоты.
На основании эквивалентной схемы нетрудно записать выраже-
ние для полного сопротивления туннельного диода, а из него
определить предельную и собственную резонансную частоту.
Туннельные диоды, благодаря их высокочастотным свойствам,
применяються в схемах высокочастотного переключения, а
так-же для усиления и генерирования колебаний на сверхвысо-
ких частотах. Схема переключения подобна аналогичной схеме
на S-диоде. Для того чтобы нагрузочная прямая пересекала
вольт-амперную характеристику в трех точках, сопротивление
нагрузки должно быть больше дифференциального сопротивления
диода на участке отрицательного сопротивления.
Вследствии большей ширины запрещённой зоны арсенида гал-
лия напряжение срыва в диодах из него (__~__1 B) выше, чем в
диодах из германия (__~__0,4 B). Поэтому диоды из арсенида гал-
лия предпочтительнее для использования в переключающих ус-
тройствах (в особенности для счетной техники) и в генерато-
рах. Широкая запрещенная зона обуславливает и большую их
термостабильность. Германиевые туннельные диоды имеют
меньший уровень собственных шумов, что важно для использова-
ния в схемах усилителей.
__
_э_ь___Ў_=_№_____________<____*.FRM_________________________________________*.MAC______________________________________________________________(___Б____@__ _