5 Полупроводниковый диод

ПП диод — это прибор, содержащий один р-п переход. УГО:

К р- и п- областям кристалла привариваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.

По технологии изготовления различают точечные, плоскостные (сплавные) и диффузионные диоды.

Конструкция точечного диода

1,3 – металлические торцы; 2 – керамическая трубка; 4 – проволочный вывод; 5 – кристаллодержатель;6- кристалл германия; 7 – вольфрамовая проволока

Точечный диод образуется в месте контакта небольшой пластины полупроводни­ка и острия металлической проволоки — пружины. Поэтому линейные размеры перехода меньше его ширины.

Для более надежного контакта через переход пропускают импульс тока в не­сколько ампер, который вплавляет ост­рие проволоки в полупроводник. Между ними происходит диффузия и образуется полусферический р-п-переход (закрашен­ный серым цветом сектор на рис.

Благодаря малой площади диод обладает очень малой емкостью перехода и используется до частот порядка сотен МГц. Малая площадь перехода опреде­ляет также небольшой допустимый ток диода. Точечные диоды обычно выпол­няют на основе германия.

Конструкция плоскостного диода:

1,6 – проволочные выводы; 2 – кристаллодержатель;

3 – корпус; 4 – токосниматель; 5 – проходной изолятор; 7 – втулка; 8 – кристалл индия; 9 – кристалл германия; 10 - подложка

В плоскостных диодах р-п переход образуется путем наплавки кусочка индия 8 на кристалл германия или кремния 9 с п-проводимостью. Детали конструкций ясны из рисунков.

Плоскостные диоды используются главным образом в выпрямите­лях, а также в различных схемах, работающих в диапазоне низких частот.

Диффузионные диоды изготавливают посредством диффузии в ПП пластину примеси, находщейся в газообразной или жидкой фазе. Если диффузия примеси производится через отверстия в защитном слое, нанесенном на поверхности ПП, то получают так называемый планарный р-п-переход.

Диффузионные диоды отличаются от сплавных диодов меньшей собственной емкостью и малым значением постоянной времени. Так, у диффузионного диода КД512АА С_Д≈1…2 пФ, τ = 3 нс.

Вольт-амперная характеристика (вах) диода

Г рафик зависимости тока, проходящего через диод, от приложенного напряже­ния называется ВАХ диода.

ВАХ диода описывается уравнением:

где I_o – ток насыщения; U_Д – напряжение на р-п-переходе; φ_Т – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов, при Т=300 К φ_Т =0,025 В.

Статическая ВАХ реального диода, которая описывается вышеприведенным выражением имеет вид, приведенный на рисунке ниже (Т₂):

По мере увеличения прямого напряжения U_пр на р-п-переходе прямой ток I_пр диода резко возрастает.

Поэтому даже незначи- тельное изменение прямого напряжения U_пр приводит к зна­чительному изменению прямого тока I_пр, что затрудняет задание требуемо- го значения тока I_пр с помощью напряжения U_пр.

Поэтому для р-п-переходов характерен режим заданого тока I_пр.

В реальном полупроводниковом кристалле всегда есть нарушения кристаллической решетки и различные загрязнения, поэтому при приложении к р-п-переходу обратного напряжения U_обр (к р-области “–”, а к п-области “+”) в нем происходят различные процессы, образующие ток генерации I_ген и ток утечки I_ут.

Для кремниевых диодов I_обр= I_ген + I_ут.

Для германиевых диодов обратным током является тепловой ток I_обр=I_Т, поэтому германиевый диод больше подвержен температурным изменениям. I_обр германиевого диода превышает значения обратных токов кремниевых диодов на несколько порядков.

В определенный момент напряжение U_обр (см. ВАХ диода) достигает значения U_проб, и начинается лавинообразный процесс нарастания I_обр, что соответствует электрическому пробою р-п-перехода (отрезок АВ). Если в этот момент не ограничить величинуU_обр, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В).

Электрический пробой обратим, т.е после умеьшения напряжения U_обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой – необратимый процесс, т.к. разрушает кристаллическую решетку ПП.

Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в р-п-переходе. При некотором значении U_проб мощность, выделяющаяся в диоде Р=U_обрI_обр, не успевает отводиться, что ведет к увеличению температуры перехода и, соответственно, увеличению носителей зарядов, что равносильно увеличению I_обр. В результате диод разрушается вследствие перегрева. Для германиевых диодов вероятность теплового пробоя выше. Поэтому максимальная рабочая температура окружающей среды для кремниевых диодов 150…200 ^оС, а для германиевых – 75...90 ^оС.

Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, хотя и не в такой степени, как обратный ток. Характер изменения прямой ветви показан на ВАХ, Т₁>Т₂, где Т₂ =300 К (27^оС – комнатная температура).

Степень температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода оценивают температурным коэффициентом напряжения (ТКН):

ТКН= .

ТКН показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 К при некотором значении тока I_пр.