Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 2_Полупроводниковые диоды

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Тема 2. Полупроводниковые диоды

Смирнов В.И.

кафедра ПиТЭС, УлГТУ

Принято классифицировать полупроводниковые диоды по следующим признакам:

-по функциональному назначению: выпрямительные, импульсные, стабилитроны, стабисторы, детекторные, параметрические, смесительные, СВЧ-диоды и др.

-по методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шотки и др.;

-по полупроводниковому материалу, из которого изготовлен диод: германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые, карбид-кремниевые и др.;

-по физическим процессам, положенным в основу работы диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные и др.

Обозначения диодов: 1 – выпрямительный, импульсный, СВЧ и детектирующий диоды; 2 – диод Шоттки; 3 – стабилитрон; 4 – варикап; 5 – туннельный и обращенный диоды; 6 – фотодиод; 7 – светодиод

Под выпрямительными полупроводниковыми диодами понимают диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований.

Для изготовления выпрямительных диодов обычно используют диффузионные и эпитаксиальные методы формирования p-n-переходов.

Наиболее важными параметрами выпрямительных диодов являются максимально допустимый прямой ток Iпр, прямое падение напряжения Uпр и максимально допустимое обратное напряжение Uобр. Для повышения Iпр и Uпр необходимо уменьшать сопротивление базы диода (увеличивать концентрацию примесей в слаболегированной области полупроводника). Для повышения Uобр требуется, напротив, уменьшать степень легирования обеих областей диода. Чтобы удовлетворить обоим требованиям, формируют переходы типа p+-p-n или n+-n-р.

Основная область применения выпрямительных диодах это преобразование переменного напряжения промышленной частоты (50 или 400 Гц) в постоянное.

Выпрямление переменного тока:

Однополупериодное (слева) и двухполупериодное (справа)

Для выпрямления переменных токов высокой частоты используют диоды с барьером Шотки. Они обладают высоким быстродействием, что определило широкое применение диодов Шоттки в импульсных блоках питания, в импульсных преобразователях и регуляторах напряжения. Промышленностью выпускаются электронные устройства, в которых выпрямители с диодами Шоттки работают на частотах выше 100 кГц.

Диоды Шоттки отличает малое прямое падение напряжения (~ 0,2–0,4 В). Поэтому они нашли применение в солнечных батареях, которые в светлое время суток преобразуют солнечную энергия в электрическую и накапливают ее в аккумуляторах. Чтобы ночью батареи не разряжались, в них устанавливают выпрямительные диоды Шоттки.

Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах его легируют примесными атомами золота, создающими в объеме базы рекомбинационные центры. Это приводит к увеличению скорости рекомбинации неосновных носителей заряда и уменьшению их времени жизни.

Другой способ повысить быстродействие – сделать базу диода тонкой, сравнимой с диффузионной длиной носителей заряда. В этом случае неравновесные носители способны быстро продиффундировать через тонкую базу и рекомбинировать на тыльной поверхности базы. Тонкую базу можно сформировать эпитаксиальным наращиванием высокоомного базового слоя на низкоомной подложке.

Быстродействие зависит от емкости диода, поэтому ее стремятся сделать предельно малой, что достигается за счет уменьшения площади переходов (т.н. точечные диоды). Их можно изготовить методом электроформовки, но при этом получается большое сопротивление базы диода (сопротивление контакта). Лучше формировать такие диоды с малой площадью перехода, используя фотолитографическую маску.

Диоды Шоттки – это полупроводниковые диоды, в которых используются свойства выпрямляющего контакта металл-полупроводник.

Диоды Шоттки работают на основных носителях заряда, т.е. в них отсутствуют процессы инжекции неосновных носителей заряда при прямом напряжении и рассасывания этого заряда при изменении знака напряжения. Поэтому диоды Шоттки отличает высокое быстродействие, что позволяет использовать их на частотах выше 100 ГГц.

Быстродействие диодов Шоттки определяется барьерной емкостью

и от сопротивлением базы диода Rб. Для уменьшения Rб требуется высокая степень легирования базы диода, а для уменьшения – низкая (больше толщина ОПЗ). Поэтому используют эпитаксиальное выращивания высокоомного слоя ни низкоомной подложке, создавая структуру n-n+.

Диоды Шоттки по сравнению с диодами на основе p-n-переходов, имеют ряд дополнительных преимуществ:

- меньшее прямое напряжение, которую можно изменять путем выбора соответствующей пары металл-полупроводник;

-более высокий прямой ток и способность выдерживать большие перегрузки по току из-за меньшего прямого напряжения и хорошего теплоотвода от металлического электрода;

-малая инерционность диода как в детекторном режиме, так и в режиме переключения (на 1–2 порядка меньше, чем у легированных золотом кремниевых диодов с p-n-переходом).

-малый уровень шумов по сравнению с обычными диодами.

Диоды Шоттки широко применяются в качестве детекторных СВЧдиодов вплоть до миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Они также могут быть использованы для умножения и преобразования частот. Умножение может быть основано как на нелинейной зависимости сопротивления диода от напряжения (нелинейное сопротивление), так и на нелинейной зависимости емкости от напряжения (нелинейная емкость).

Диоды Шоттки применяют в качестве приемников излучения, детекторов ядерного излучения, модуляторов света. Они широко используются для выпрямления высокочастотного переменного напряжения.

Диоды Шоттки изготавливают из Si или GaAs, а также из SiC.

Диоды с барьером Мотта основаны на использовании барьера Мотта, образующегося в структуре M-i-n+. Наличие i-области увеличивает толщину ОПЗ и уменьшает, соответственно, барьерную емкость структуры.

Pin-диоды основаны на использовании структуры p-i-n.

Емкость структуры определяется размерами i-слоя и его диэлектрической проницаемостью. При достаточно толстой i-области емкость pin-диода практически не зависит от внешнего напряжения.

Дифференциальное сопротивление pinдиода при изменении знака U изменяется на несколько порядков, а Сбар практически не изменяется. Например, меняя постоянную составляющую тока через pinдиод, можно варьировать значение его сопротивления в пределах от 0,1 Ом до 10 кОм.

Выпускаются рin-диоды с различной толщиной i-слоя, площадью структуры, рассеиваемой мощностью и быстродействием. Емкость pinдиодов обычно лежит в интервале от 0,1 до 3 пФ. В мощных диодах для СВЧ-диапазона ширина i-области делается большой (порядка 0,1–0,5 мм), чтобы они могли работать при больших амплитудных значениях напряжения более 1 кВ и импульсной мощности свыше 10 кВт. Большая толщина i-области дает возможность увеличивать площадь сечения диода без существенного возрастания его емкости, что позволяет улучшить теплоотвод и повысить среднюю рабочую мощность.

Pin-диоды широко используются в СВЧ-электронике., например, в СВЧмультиплексорах. При нулевом напряжении pin-диод имеет высокое активное сопротивление и малую емкость, а значит и высокое реактивное сопротивление. Диод в этом состоянии не пропускает ВЧсигнал. При прямом напряжении и токе порядка 1 мА типичный pin-диод имеет сопротивление порядка 1 Ом, т. е. диод переходит в проводящее состояние. Pin-диоды нашли также широкое применение в СВЧ-электронике в качестве переменных и ступенчатых аттенюаторов, амплитудных модуляторов, плавных и ступенчатых фазовращателей (что важно для АФАР).