Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим p-n-переходом и двумя выводами.

В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды, диоды Ганна и т. д. Идеализированная вольт-амперная характеристика диода описывается выражением (2.12).

В реальных диодах прямая и обратная ветви ВАХ отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток I_s при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход вольт-амперной характеристики оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2—10 мА.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную вольт-амперную характеристику, сложно и нецелесообразно. Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток, который измеряют при определенном значении обратного напряжения. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых и им часто пренебрегают.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода отклоняется от идеализированной из-за наличия токов рекомбинации в p-n-переходе, падения напряжения на базе диода, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей заряда и наличия в базе внутреннего поля, возникающего при большом коэффициенте инжекции.

Рис. 2.5 . Вольт-амперные характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов; условное обозначение (в)

Для малых токов падение напряжения на переходе U

U= kTq^-1ln(I/I_T+1).

Падение напряжения на диоде U зависит от тока I, протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым I_T. Так как у кремниевых диодов тепловой ток I_T мал, то и начальный участок прямой ветви характеристики значительно более пологий, чем у германиевых (рис. 2.5).

Выпрямительные диоды. Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p-n-перехода и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований, называют выпрямительными.

В качестве выпрямительных диодов используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов.

В выпрямительных диодах применяются также и p-i-переходы, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля в p-n -переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой. Для этой же цели иногда используют p⁺-p-n или n⁺-n-p-переходы. Для их получения методом эпитаксии на поверхности исходного полупроводника наращивают тонкую высокоомную пленку. На ней методом вплавления или диффузии создают структуры р⁺-р-п или п⁺-п-р-типа. В таких диодах успешно разрешаются противоречивые требования, состоящие в том, что, во-первых, для получения малых обратных токов, малого падения напряжения в открытом состоянии и температурной стабильности характеристик необходимо применять материал с возможно малым удельным сопротивлением; во-вторых, для получения высокого напряжения пробоя и малой емкости p-n-перехода необходимо применять полупроводник с высоким удельным сопротивлением.

Эпитаксиальные диоды обычно имеют малое падение напряжения в открытом состоянии и высокое пробивное напряжение.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость их из-за большой площади p-n -переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

Германиевые выпрямительные диоды могут быть использованы при температурах, не превышающих 70—80 °С, кремниевые—до 120—150 °С, арсенид-галлиевые—до 150 °С.

Основные параметры выпрямительных диодов и их значения у маломощных диодов

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обрт.mах}—значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности (десятки— тысячи В).

2. Средний выпрямленный ток диода I_вп.cр—среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протека­ющего через диод (сотни мА—десятки А).

3. Импульсный прямой ток диода I_пр.и—пиковое значение импульса тока при заданной максимальной длительности, скважности и формы импульса.

4. Средний обратный ток диода I_обр.ср—среднее за период значение обратного тока (доли мкА—несколько мА).

5. Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока U_пр.ср (доли В).

6. Средняя рассеиваемая мощность диода Р_срд.—средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях (сотни мВт—десятки и более Вт).

7. Дифференциальное сопротивление диода r_диф—отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы—сотни Ом).

Импульсные диоды. Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30—40 мВт).

Основные параметры импульсных диодов

1. Общая емкость диода Сд (доли пФ—несколько пФ).

2. Максимальное импульсное прямое напряжение.

3. Максимально допустимый импульсный ток.

4. Время установления прямого напряжения диода t_уст— интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на нем—зависит от скорости движения внутрь базы инжектированных через переход неосновных носителей заряда, в результате которого наблюдается уменьшение ее сопротивления (доли не—доли мкс).

5. Время восстановления обратного сопротивления диода t_вос—интервал времени, прошедший с момента прохождения тока через нуль (после изменения полярности приложенного напряжения) до момента, когда обратный ток достигнет заданного малого значения (порядка 0,1I, где I—ток при прямом напряжении.

Наличие времени восстановления обусловлено зарядом, накопленным в базе диода при инжекции. Для запирания диода этот заряд должен быть “ликвидирован”. Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода неосновных носителей заряда в эмиттер. Последнее приводит к увеличению обратного тока. После изменения полярности напряжения в течение некоторого времени t обратный ток меняется мало и ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных при инжекции в базе диода (концентрация р(х)), рассасывается.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шотки, в которых переход выполнен на основе контакта металл—полупроводник. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе p-n-переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8—10 декад* приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли—десятки нА). Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропровод­ностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шотки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Полупроводниковые стабилитроны. Полупроводниковые стабилитроны, называемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя р-n-перехода при включении диода в обратном направлении

Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а), его условное обозначение (б) и включение полупроводникового стабилитрона в схему стабилизации напряжения на нагрузке

Механизм пробоя может быть туннельным, лавиным или смешанным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой (сравнительно высокоомных) пробой носит лавинный характер. Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в p-n -переходе значительно выше, чем у обычных диодов.

В качестве примера на рис. 2.6, а приведены вольт-амперные характеристики стабилитрона КС510А при различных температурах. На рис. 2.6,6, в показаны условное обозначение стабилитронов и его включение в схему стабилизации напряжения.

Основные параметры стабилитронов и их типовые значения

1. Напряжение стабилизации Uст—падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт — десятки вольт).

2. Максимальный ток стабилизации Iст.mах (несколько мА— несколько А).

3. Минимальный ток стабилизации Iст min (доли—десятки мА).

4. Дифференциальное сопротивление Rдиф, которое определяется при заданном значении тока на участке пробоя как Rдиф=dUст/dIст (доли Ом—тысячи Ом).

5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ст—тысячные доли процента).

Дифференциальное сопротивление при увеличении тока стабилизации уменьшается на 10—20%. Это объясняется тем, что при увеличении приложенного напряжения увеличивается площадь участков; на которых произошел пробой. При токе, близком к номинальному, его сопротивление близко к значению собственного сопротивления базы.

Пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей. Поэтому в стабилитроне инерционные явления, связанные с накоплением и рассасыванием носителей, при переходе из области пробоя в область запирания и обратно практически отсутствуют. Это позволяет использовать их в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и ограничителей. Включение полупроводниковых стабилитронов в схему стабилизации выходного напряжения показано на рис. 2.6, в. При увеличении напряжения питания увеличивается ток в цепи, а падение напряжения на стабилитроне и на нагрузке остается неизменным. При увеличении тока через стабилитрон возрастает падение напряжения на резисторе R. Другими словами, почти все приращение напряжения питания падает на резисторе R, а выходное напряжение остается неизменным за счет своеобразной характеристики обратной ветви стабилитрона.

При необходимости стабилизировать или ограничивать короткие импульсы напряжения (длительностью десятки не — сотни мкс) следует применять стабилитроны, специально предназначенные для этих целей, например 2С175Е, КС182Е, 2С211Е и др. Они имеют сниженное значение барьерной емкости, так что общая емкость составляет несколько—два десятка пФ, и малую длительность переходного процесса (доли нс — несколько нс).

Варикапы. Ширина электронно-дырочного перехода и его емкость зависят от приложенного к нему напряжения.

Варикап—это полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в качестве управляемой электрическим напряжением емкости.

Варикап работает при обратном напряжении, приложенном к р-n переходу. Его емкость меняется в широких пределах, а ее значение определяют из выражения

С=С₀(U_k/(U_k+U)^1/n

где С_В(0) – емкость при нулевом напряжении на диоде; U_k – значение контактного потенциала; U – приложенное обратное напряжение; n = 2 для резких переходов и n = 3 для плавных переходов.

Основные параметры варикапов и их типовые значения

1. Общая емкость С—емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении (десятки— сотни пФ).

2. Коэффициент перекрытия по емкости—отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений: К = Св max / Св.min (несколько единиц — несколько десятков единиц).

3. Сопротивление потерь r—суммарное активное сопротивление, включая сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов варикапа.

4. Добротность (Qв—отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала (Хс) к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения.

5. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ).

Диоды других типов. Кроме рассмотренных диодов некоторое распространение получили стабисторы (КС107, 2С113А, 2С119А), туннельные и сверхвысокочастотные диоды, среди которых различают сверхвысокочастотные детекторные, параметрические, переключательные и ограничительные, умножительные и настроечные.

Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако в отличие от последних в них используется специальная форма прямой ветви вольт-амперной характеристики. Поэтому стабисторы работают при прямом напряжении и позволяют стабилизировать малые напряжения (0,35—1,9 В). По основным параметрам они близки к стабилитронам, но включаются в цепь стабилизации в прямом направлении.

Туннельные диоды—это полупроводниковые приборы, на вольт-амперной характеристике которых имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок 7—2 на рис. 2.7, a). Наличие его является следствием проявления туннельного эффекта. В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяют на усилительные (ЗИ101, ЗИ104 и др.), генераторные (ЗИ201—ЗИ203), переклю­чательные (ЗИ306—ЗИ309). Область их применения в настоящее время ограничена из-за большей эффективности, даваемой другими полупроводниковыми компонентами. Обращенные диоды представляют собой разновидность туннельных и характеризуются тем, что вместо участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением у них на вольт-амперной характеристике имеется практически горизонтальный участок (рис. 2.7, в). В этих диодах прямую ветвь характеристики можно считать обратной. Обращенный диод имеет значительно меньшее прямое напряжение, чем у обычных диодов, и может быть применен для выпрямления малых напряжений. Значения обратного напряжения также малы.

Диоды, предназначенные для генерирования шумов, составляют отдельную группу полупроводниковых приборов—так называемых генераторов шума, например типа 2Г401. По виду вольт-амперных характеристик и схеме включения они практически не отличаются от стабилитронов. Режим их работы выбирается так, чтобы обратный ток (ток пробоя) был меньше Iст.min. При малых токах параметры напряжения пробоя нестабильны, в результате чего возникают его колебания, происходящие случайным образом (генерируется напряжение шумов). Спектр их достаточно широкий (до 3,5 МГц), а спектральная плотность напряжения генераторов шума лежит в пределах 1,5 мкВ/Гц^1/2—15 мкВ/Гц^1/2, причем при изменении обратного тока спектральная плотность меняется в два раза и более.

Рис. 2.7. Вольт-амперная характеристика туннельного диода (в) и его условное обозначение (б); вольт-амперная характеристика обращенного диода (в) и его условное обозначение (г)

Сверхвысокочастотные диоды подразделяют на смесительные (2А101—2А109 и др.), детекторные (2А201—2А203 и др.), параметрические (1А401—1А408), переключательные и ограничительные (2А503—2А524), умножительные и настроечные (Э2А601—2А613), генераторные (ЗА703, ЗА705). Это специальные типы диодов, предназначенные для работы в сантиметровом диапазоне волн, которые характеризуются параметрами, важными для работы в этом диапазоне частот.

Магнитодиоды представляют собой полупроводниковые приборы, вольт-амперная характеристика которых существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительности плоскости p-n-перехода. При практическом применении магнитодиод обычно включают в прямом направлении и используют зависимость его сопротивления от магнитной индукции. Так, например, у магнитодиодов КД-301В при В=0 и I=3 мА падение напряжения на диоде составляет 10В, а при 5=0,4 Тл и /=3 мА—около 32 В. Эта группа диодов используется в качестве датчиков магнитного поля.

Диоды Ганна основаны на использовании одноименного физического явления генерации высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике. Это следствие того, что у некоторых полупроводниковых материалов на вольт-амперной характеристике имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, аналогичный характеристике, приведенной на рис. 2.7, a. При создании в таком материале электрического поля определенной напряженности возникают колебания электрического поля. Частота их определяется параметрами самого диода, а не параметрами внешней резонансной системы, как это имеет место, например, в генераторах, выполненных на туннельных диодах.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из шести элементов. Первый элемент—буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Германий или его соединения обозначают буквой Г, кремний и его соединения—К, соединения галлия—А. В приборах специального назначения буквы заменяются соответствующими цифрами: германий — 1, кремний — 2, соединения галлия — 3. Второй элемент—буква, обозначающая подклассы диода: выпрямительные, импульсные, универсальные—Д, варикапы—В, туннельные и обращенные диоды—И, стабилитроны—С, сверхвысокочастотные—А. Третий элемент—цифра, определяющая назначение диода (от 101 до 399—выпрямительные; от 401 до 499—универсальные; от 501 до 599—импульсные). У стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеяния. Четвертый и пятый элементы—цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номинальное напряжение стабилизации). Шестой элемент—буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (приборы одного типа по значениям параметров подразделяются на группы). У стабилитронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки, например: КД215А, ГД412А, 2Д504А, KB 101 А, КС168А и т. д.