Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя омическими контактами (омическим называют контакт металла с полупроводником, не обладающий выпрямляющим свойством), к которым присоединяются два вывода для подключения к внешней цепи.

Наиболее часто для создания диода применяются:

1. Электронно-дырочный переход, т.е. контакт полупроводниковых материалов с разным типом проводимости р и n-типа.

Эти переходы получают:

- методом диффузии атомов из внешней среды при высокой температуре.

- методами ионного внедрения при бомбардировке полупроводникового кристалла пучком ионов примеси, ускоренных электрическим полем.

- вплавлением в полупроводник металла или сплава металлов, содержащих необходимые примеси.

- эпитаксиальное наращивание на поверхности кристалла тонкого слоя примесного полупроводника с противоположным типом проводимости. Причем эта пленка полностью повторяет кристаллическую структуру подложки и образует с ней единый монокристалл.

2. Иногда используют контакты между областями с разной концентрацией примесей одного типа. Такие переходы называются электронно-электронными (n⁺n) или дырочно-дырочными (p⁺p), + означает более высокую концентрацию примеси.

3. Для решения определенных задач при преобразовании сигнала используют контакт металл-полупроводник, который обычно формируется вакуумным напылением тонкой металлической пленки на очищенную поверхность полупроводника. В зависимости от соотношения величины работы выхода электронов из металла и полупроводника, знаком и плотностью поверхностного заряда на границе раздела, а также типом проводимости полупроводника и концентрации примеси, возникает омический контакт или выпрямляющий контакт. Омический контакт (с малым сопротивление) используют для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей, подвода и отвода токов и напряжений. Выпрямляющий контакт – диод Шоттки работает аналогично контакту полупроводников с разным типом проводимости, однако имеет более высокое быстродействие за счет отсутствия инжекции неосновных носителей заряда (отсутствует диффузионная емкость).

4. Гетеропереходы. Это структура, образованная двумя полупроводниками с разной шириной запрещенной зоны. Кристаллические структуры должны быть одинаковыми. Гетеропереходы часто используются в светодиодах и фотодиодах. Типичными гетеропереходы создаются на основе AlGaAs – GaAs, GaAsP – GaP, InP – GaInAs. Такой переход может существовать при разных типах проводимости n и p. И с одним типом проводимости n⁺n или p⁺p. Гетеропереходы позволяют создать СВЧ транзисторы и широко используются в свехскоростных цифровых интегральных схемах.

Классификация и условные графические обозначения диодов.

Полупроводниковые диоды можно разделить по следующим признакам:

1. по назначению: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ- и СВЧ- диоды), импульсные, полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные, варикапы и др.;

2. по конструктивно – технологическим особенностям: плоскостные и точечные;

3. по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенид - галлиевые и др.

Классификация и условные графические обозначения диодов представлены на рис. 1:

Рис. 1 Классификация и условное обозначение полупроводниковых диодов.

Точечные диоды. Такие диоды имеют очень малую площадь электрического перехода. Линейные размеры, определяющие ее, меньше ширины р-n-перехода.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n- типа (рис. 2), толщиной 0,1…0,6мм и площадью 0,5…1,5 мм²; с пластинкой соприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный р-n- переход полусферической формы.

Рис.2. Точечный диод

Для изготовления германиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р- типа является эмиттерной.

Для изготовления кремниевых точечных диодов используется кремний n- типа и проволочка, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

Корпус точечных диодов герметичный. Он представляет собой керамический или стеклянный баллон, покрытый черной светонепроницаемой краской (во избежание проникновения света, так как кванты света могут вызвать генерацию носителей заряда вблизи р-n-перехода, а следовательно, увеличить обратный ток диода).

Благодаря малой площади р-n-перехода емкость точечных диодов очень незначительна и составляет десятые доли пикофарады. Поэтому точечные диоды используют на высоких (порядка сотен мегагерц) и сверхвысоких частотах. Их применяют в основном для выпрямления переменного тока высокой частоты (выпрямительные диоды высокочастотные) и в импульсных схемах (импульсные диоды).

Так как площадь p-n-перехода точечного диода мала, то прямой ток через переход должен быть небольшим (10—20 мА) из-за малой мощности (~10 мВт), рассеиваемой переходом. Поэтому точечные диоды можно использовать для выпрямления только малых переменных токов.

Плоскостные диоды. Плоскостные диоды имеют плоский электрический переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше ширины p-n-перехода.

В плоскостных диодах р-n переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 3).

Рис. 3. Сплавной плоскостной диод (а), диффузионный диод (б).

В пластинку германия n - типа вплавляют при температуре около 500°С каплю индия (рис. 3, а) которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р - типа. Область с электропроводностью р - типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят германий р - типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n - типа.

Диффузионный метод изготовления р-n перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (рис. 3, б). Для создания р - слоя используют диффузию акцепторного элемента (бора или алюминия для кремния, индия для германия) через поверхность исходного материала.

Плоскостные диоды используются для работы на частотах до 10 кГц. Ограничение по частоте связано с большой барьерной емкостью р-n-перехода (до десятков пикофарад).

Плоскостные диоды, как и точечные, могут быть выполнены с контактом металл — полупроводник. Емкость электрического перехода таких диодов небольшая, время перезарядки емкости, следовательно, мало, поэтому их используют для работы в импульсных режимах (сверхскоростные импульсные диоды). Плоскостные диоды бывают малой мощности (до 1 Вт), средней мощности (на токи до 1 А, напряжение до 600 В) и мощные (на токи до 2000 А).

Германий или кремний. Двумя широко используемыми материалами для диодов являются германий и кремний. В то время как оба (германиевый диод и кремниевый диод) выполняют аналогичные функции, между ними имеются определенные различия, которые необходимо принимать во внимание, прежде чем разрабатывать ту или иную электронную схему с применением диодов.

При повышении температуры растет собственная электропроводность полупроводника (увеличивается генерация пар носителей заряда электрон-дырка), растет ток насыщения и растет вероятность пробоя p-n перехода.

Максимально допустимая температура перехода тем больше, чем шире запрещенная зона полупроводника. Так для германиевых диодов допустимый интервал температур окружающей среды лежит в пределах (-60^о +70^о), а для кремниевых в пределах (-60^о +125^о). При понижении температуры увеличивается сопротивление диода как прямое, так и обратное, а также появляется вероятность механических повреждений кристалла из-за увеличивающейся хрупкости.

Кремниевые диоды, в результате того, что Si имеет большую ширину запрещенной зоны, имеют во много раз меньшие обратные токи, но большее прямое падение напряжения, т.е. при равной мощности, отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у кремниевых диодов будет больше. Кремниевые диоды имеют большие обратные напряжения и большие плотности тока в прямом направлении.

Кремниевые диоды имеют прямое смещение напряжения 0.7 В. Как только разность напряжений между анодом и катодом достигает 0.7В, диод открывается. Когда разность напряжений падает менее 0.7В, диод прекращает проводить электрический ток. Германиевые диоды имеют напряжение смещения 0.3 вольта. Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера р-n- переходов, сформированных в кремнии. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера.

При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через р-n переход. При повышении температуры р-n перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает. В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости. Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой р-n-перехода.

Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8) U_проб. В некотором интервале температур для германиевых диодов пробой чаще всего бывает тепловым (ширина запрещенной зоны Ge невелика), а для кремниевых диодов – электрическим (лавинным или туннельным). Это определяет значения U_проб при заданной температуре. При комнатной температуре значения U_проб для германиевых диодов обычно не превышают 100 - 400В, а для кремниевых -1000 - 1500В

Поскольку кремний является относительно простым и недорогим для получения и обработки материалом, кремниевые диоды более распространены, чем германиевые диоды. Германий – это редкий материал, который обычно встречается с медными, свинцовыми или серебряными отложениями. Из-за своей редкости германий дороже, из-за чего германиевые диоды встречаются реже кремниевых диодов, к тому же в некоторых случаях они могут быть дороже.

Германиевые диоды лучше всего использовать в маломощных электрических цепях. Более низкое напряжение прямого смещения приводит к меньшим потерям мощности и делает схему более эффективной по электрическим характеристикам. Германиевые диоды также подходят для прецизионных цепей, где колебания напряжения должны быть сведены к минимуму. Однако германиевые диоды можно гораздо легче вывести из строя, чем кремниевые диоды.

Кремниевые диоды являются превосходными диодами общего назначения и могут использоваться практически во всех электрических цепях, где требуется диод. Кремниевые диоды более долговечны, чем германиевые диоды, и их намного легче получить. Как уже было написано выше, германиевые диоды подходят для прецизионных цепей, но если не существует особых требований к германиевому диоду, обычно предпочтительнее использовать кремниевые диоды при проектировании схемы.

Выпрямительные диоды. Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в ток одного направления (выпрямление переменного тока). Используются в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т.д.

В связи с применением выпрямительных диодов к их характеристикам и параметрам предъявляются следующие требования:

а) малый обратный ток I_oбр;

б) большое обратное напряжение;

в) большой прямой ток;

г) малое падение напряжения при протекании прямого тока.

Для того, чтобы обеспечить эти требования, выпрямительные диоды выполняются из полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны, что уменьшает обратный ток, и большим удельным сопротивлением, что увеличивает допустимое обратное напряжение. Для получения в прямом направлении больших токов и малых падений напряжения следует увеличивать площадь p-n перехода и уменьшать толщину базы.

Выпрямительные диоды изготавливаются из германия (Ge) и кремния (Si) с большим удельным сопротивлением, причем Si является наиболее перспективным материалом.

а б

Рис.4. Вольтамперные характеристики выпрямительных диодов из германия (а) и кремния (б) и их изменения в зависимости от температуры.

Кремниевые диоды. В результате того, что Si имеет большую ширину запрещенной зоны, имеют во много раз меньшие обратные токи, но большее прямое падение напряжения, т.е. при равной мощности, отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у кремниевых диодов будет больше. Кремниевые диоды имеют большие обратные напряжения и большие плотности тока в прямом направлении.

Количество неосновных носителей заряда определяется температурой и поэтому ход обратной ветви вольтамперной характеристики сильно зависит от температуры, причем эта зависимость резко выражена для германиевых диодов. Величина напряжения пробоя тоже зависит от температуры. Эта зависимость определяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом пробое за счет ударной ионизации U_проб возрастает при повышении температуры. Это объясняется тем, что при повышении температуры увеличиваются тепловые колебания решетки, уменьшается длина свободного пробега носителей заряда и для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию достаточную для ионизации валентных связей, надо повысить напряженность поля, т.е. увеличить приложенное к p-n переходу обратное напряжение.

Выпрямительные диоды используются в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т.д.

В ряде мощных преобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока, обратного напряжения превышают номинальное значение параметров существующих диодов. В этих случаях задача решается параллельным или последовательным соединением диодов.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода.

Последовательное соединение диодов применяют для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток I_обр.