Полупроводниковые диоды

  На основе использования свойств р-n-перехода  в  настоящее

время создано множество  различных  типов  полупроводниковых

диодов.

  Выпрямительные диоды предназначены для преобразования  пе-

ременного тока в постоянный.Их основные параметры:  Iпр  max

-максимальный прямой ток; Vпр^^&-- падение напряжения на  диоде

при прямом смещении и заданном токе;Iобр -ток через диод при

обратном смещении и заданном напряжении;Vобр  max  -  макси-

мальное обратное напряжение;  f-диапазон  частот,в  котором

выпрямленный ток не снижается меньше заданного уровня.

  По  величине  выпрямленного  тока  выпрямительные    диоды

малой(Iпр < 0,3А),средней (0,3 A <Iпр >10 А) и большой  (Iпр

>10A) мощности. Для создания  выпрямительных  диодов  приме-

няются  плоскостные  p-n-переходы,полученные  сплавлением  и

диффузией.Высокие значения  Iпр  обеспечиваются  использова-

нием p-n-переходов с большой площадью.

  Большие значения Vобр max достигаются использованием в  ка-

честве базы диода материала с высоким  удельным  сопротивле-

нием.Наибольшие значения Vобр 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 Vобр  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  Vпр   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:Vст-напряжение стабилиза-

ции;Iст min-минимальный ток,с которого начинается стабилиза-

ция  напряжения;Rд=dV/dI-дифференциальное  сопротивление  (в

рабочей точке);Rстат=V/I-статическое сопротивление (в  рабо-

чей    точке);       Q=Rд/Rстат-коэффициент        качества;

ТНК=(1/Vст)(dVст/dT)-температурный  коэффициент   напряжения

стабилизации.

  Стабилитроны  изготавливаются  с  различными    значениями

Vст,от 3 до 200 В.

  Для диодов с Vст>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 Vст<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.

  [1]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.

  [1]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.

  [1]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=-( Iнас+ Iф)=- Iнас- qcB SФ

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 Dp

Время полета носителей через область область объемного заря-

да (шириной  d)  можно оценить как    = d/Vmax, где Vmax - 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.

  [1]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.

  [1]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 Na=Nd=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          ┌──[1]──┐

быть представлена в  виде     Є────┤    C  ├─[1]── ───Є