2.11 Особливості р-n переходів та їх використання для побудови компонентів електронних систем

Сучасні дискретні напівпровідникові пилади та ІМС створюють на основі ЕДП, завдячуючи їхнім специфічним властивостям. Основними з них є такі.

1. Асиметрія ВАХ – дозволяє створювати напівпровідникові діоди для випрямлення електричних сигналів, селекції імпульсів позитивної і негативної полярностей, детектування та обмеження амплітуди сигналів.

2. Електричний пробій при зворотному включенні – використовують для побудови стабілітронів, які є основою параметричних стабілізаторів напруги.

3. У деяких діодах – стабісторах ВАХ відрізняється різким збільшенням прямого струму при майже постійній прямій напрузі (0,4...0,6 В). Як і стабілітрони стабістори є основою побудови параметричних стабілізаторів низької напруги.

4. При зворотному ввімкненні струм насичення можна змінювати додатковою генерацією неосновних носіїв в базі шляхом оптичного, іонізуючого, рентгенівського опромінення. Збільшення зворотного струму при оптичному опроміненні використовують для побудови фотодіодів.

5. Рекомбінація носіїв електричних зарядів, інжектованих в базу, використовується для побудови випромінювальних діодів.

6. Зворотний струм можна регулювати в значних межах за допомогою додаткової інжекції неосновних носіїв в базу р-n переходу, що дозволило створити БТ.

7. Залежність бар’єрної ємності від зворотної напруги – використовують для побудови особливого типу напівпровідникових діодів – варикапів та параметричних діодів.

8. Розширення зони збіднення при збільшенні зворотної напруги – використовують для зміни перерізу напівпровідника і, як наслідок, для керування опором каналу та струмом ПТ з керувальним р-n переходом.

9. Великий опір при зворотному вмиканні – використовують для ізоляції елементів в напівпровідникових (ІМС).

2.12 Поточний самоконтроль

2.12.1 Тестові контрольні запитання.

1. Як розрізняються речовини за провідністю?

2. Який процес називають генерацією пар носіїв заряду?

3. Чому в напівпровідниках струм створюється внаслідок руху електронів і дірок, а в металах лише внаслідок руху електронів?

4. Чому для побудови напівпровідникових приладів використовують домішкові напівпровідники?

5. Внаслідок чого відбувається дрейф і дифузія носіїв заряду?

6. Які процеси відбуваються в ЕДП у рівноважному стані?

7. Чим відрізняються симетричні р-п переходи від несиметричних?

8. Як необхідно ввімкнути р-п перехід у зовнішнє джерело напруги, щоб забезпечити пряме і зворотне вмикання?

9. Внаслідок чого утворюється випрямний контакт?

10. Як утворюється зворотний струм насичення?

11. За яких умов утворюються омічні випрямні контакти в металіжзжнапівпровідником?

12. Поясніть процеси інжекції та екстракції.

13. Що впливає на динамічні властивості ЕДП?

14. Перерахуйте особливості ЕДП та їх використання для побудови компонентів електронної апаратури.

Розділ 3. Напівпровідникові діоди та їх використання

3.1 Визначення, структура та класифікація

Напівпровідниковий діод (НД) –це електроперетворювальний напівпровідниковий прилад, побудований на одному випрямному та двох невипрямних (омічних) контактах. Властивості, технічні характеристики і параметри НД визначає випрямний електричний перехід. Для формування таких переходів, створюючи діоди, використовують p-n‑переходи, гетеропереходи та контакти метал – напівпровідник. Таким чином, НД є двоелектродним напівпровідниковим приладом з несимметричною та нелінійною ВАХ. Кристал напівпровідника з випрямним переходом монтується в металевому або коваровому корпусі НД, що забезпечує стабільні експлуатаційні характеристики і параметри діода під час дії зовнішніх дестабілізувальних факто­рів (нагріванні, дії вологи, механічних навантаженнях тощо).

Найпоширенішими є НД з p-n‑переходом. Ділянці з низькою концентрацією домішкових атомів властива зазвичай електронна провідність (провідність n-типу), її називають базою або катодом. Це – вивід діода, від якого струм тече в зовнішнє електричне коло. Товщина бази значно більша від товщини високолегованої ділянки з дірковою провідністю (провідністю р‑типу), яка межує з базою, її називають емітером або анодом. Це – вивід діода, до якого струм тече із зовнішнього електричного кола. Для вмикання НД у пропускному напрямі на анод подається позитивна напруга. Електрод анода позначають на корпусі НД.

У випрямному електричному переході та прилеглих до нього ділянках відбуваються різні фізичні процеси, які можуть забезпечити: випрямлення за рахунок асиметрії ВАХ; нелінійне зростання струму зі збільшенням напруги; лавинне розмноження носіїв заряду крізь потенціальний бар’єр випрямного електричного переходу як у разі запірного, так і (у відповідних умовах) пропускного напряму вмикання напруги; зміну бар’єрної ємності зі зміною напруги; накопичення і розосередження неосновних носіїв заряду в прилеглих до випрямного переходу зонах; зміну електропровідності під дією опромінювання; некогерентне оптичне випромінювання.

Усі ці фізичні ефекти та явища, що визначають механізм роботи приладу, використовують для створення широкої номенклатури НД: випрямних, змішувальних, детекторних, перемикальних, обернених, стабілітронів, стабісторів, варикапів, діодів Шотткі. Деякі із ефектів є небажаними і навіть шкідливими в одних діодах, але в інших діодах ці самі ефекти служать основою принципу дії.

Наведені функціональні групи є основним критерієм класифікації НД. Крім того, їх класифікують за матеріалами, використовуваними для виготовлення електричних переходів, за конструктивно-технологічними особливостями, за параметрами (струмом, напругою, потужністю, швидкодією), за типом корпусу.

За типом матеріалу НД поділяють на германієві, кремнієві та діоди з арсеніду галію (це не стосується фото- і світлодіодів).

За конструктивно-технологічними особливостями НД класифікують за структурою і технологією формування електричних переходів (площинні, точкові, мікросплавні). Точкові та мікросплавні діоди використовують у пристроях, які працюють у діапазоні надвисоких частот.

Особливості різних типів НД фіксують в умовних позначеннях та маркуванні, в основу яких покладено літерно-цифровий код, що відображає інформацію про напівпровідниковий матеріал, підклас (або групу) приладів, призначення (параметр або принцип дії), порядковий номер розробки, класифікацію за параметрами та додаткову інформацію.