книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

ром, сопротивление которого должно быть меньше наименьшего обратного сопротивления диодов.

Выпрямительные диоды с р-я-переходом выпускаются на вы­ прямленный ток до 10 А, а с р-г-я-переходом —• до 100 А. При не­ обходимости получения больших выпрямленных токов диоды сое-

Рис. 2.19. Семейства вольтамперных характеристик ди­ одов при различных темпе­ ратурах:

а) германиевого; б) крем­ ниевого

диняют параллельно. При этом для выравнивания прямых токов в цепь каждого диода включают последовательно резистор.

Полупроводниковые диоды отличаются также друг от друга ма­ териалом полупроводника. Наиболее часто в них используют гер­ маний или кремний. Основным эксплуатационным отличием герма­ ния от кремния является различная зависимость их свойств от тем­ пературы. Сравнение вольтамперных характеристик германиевого и кремниевого диодов показывает, что при комнатной температуре обратный ток кремниевого диода примерно в тысячу раз меньше, чем у германиевого, из-за гораздо меньшей собственной проводи­ мости кремния (рис. 2.196). При повышении температуры абсолют­ ная величина изменения обратного тока в кремниевом диоде зна­ чительно меньше, чем в германиевом, вследствие чего рост темпе­

13(2

порционально удельному сопротивлению обеих областей полупро­ водника. .

Тепловой пробой обусловливается потерей устойчивости тепло­ вого режима р-п-перехода. Если тепло, выделяемое при прохожде­ нии обратного тока, больше того тепла, которое может рассеивать переход, то температура последнего повышается. Это приводит к росту генерации пар электрон-—дырка и к дальнейшему увеличе­ нию обратного тока, что опять повысит температуру и т. д. В ре­ зультате такого нарастающего процесса переход недопустимо ра­ зогревается и возникает тепловой пробой. Натгряжение теплового' пробоя сильно снижается с повышением температуры окружающей среды, а также с увеличением теплового сопротивления.

Уравнение теплового баланса можно записать в следующем виде:

где Р — мощность, выделяемая в переходе, равная произведению обратного тока I на обратное напряжение U; Т — температура перехода; Т0 — температура окружающей среды и Дт — тепловое

ходит пробой при уменьшенном напряжении на переходе. Этот эф­ фект будет выражен сильнее в том случае,, если диэлектрическая проницаемость внешней среды меньше, чем у полупроводника. Для предотвращения поверхностного пробоя поверхность полупроводни­ ка следует покрывать защитной оболочкой из материала с большой диэлектрической проницаемостью.

На рис. 2.20 'представлены 'вольтаіміперные характеристики для различных видов пробоя. Практически наиболее часто приходится встречаться с лавинным пробоем, особенно в случае полупроводни­ ков с большим удельным сопротивлением и, следовательно, с пере­ ходом значительной толщины. Наоборот, при малом удельном qo-

134

противлении возможен туннельный пробой. Что касается теплового пробоя, то он возникает при больших обратных токах, что наибо­ лее вероятно в .германиевых плоскостных полупроводниковых дио­ дах.

ПЛОСКОСТНЫЕ ДИОДЫ ТИПА р-і-п

Диод типа р-і-п состоит из трех чередующихся облас­ тей: с дырочной, собственной и электронной проводимостью. Он предназначен для схем мощных выпрямителей и свч переключате­

два требования взаимно противоречивы. Высокое Д0бр можно по­ лучить путем увеличения толщины р-янпѳрехада, для чего следует уменьшить примесную проводимость р- и я-областей. Но при этом увеличивается сопротивление материала полупроводника, что име­ ет существенное значение в случае работы диода при больших прямых токах. Указанное противоречие можно устранить, если между р- и я-областями расположить область из тзысокоомного ма­ териала с очень малой концентрацией примесей, близкой к собст­ венному полупроводнику, что обеспечит высокое значение U0бр- В то же время области р и я выполняют с большой концентрацией акцепторных и донорных примесей, благодаря чему сопротивление этих областей диода может быть малым. Ңа границе между" обла­ стями концентрация примесей должна резко изменяться.

На рис. 2.22 показано расположение энергетических зон в диоде типа р-і-п. .На границе между соседними областями образуются запирающие слои. Контактная разность потенциалов между обла­ стями р и я в диоде в этом случае такая же, как и в отсутствие об­ ласти. і. При приложении обратного напряжения сопротивление

135

/-области увеличивается, так как электрическое поле отсасывает из нее носители, что ведет к увеличению падения напряжения, созда­ ваемого в ней обратным током. При приложении прямого напря­ жения, наоборот, сопротивление /-области уменьшается из-за ин­ жекции в нее электронов из я-области и дырок из p-области, поэто­ му .падение напряжения в /-области уменьшается.

ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Широкое применение имеют также селеновые, медно­ закисные и титановые выпрямительные диоды, изготовленные из материала поликристаллической структуры. Конструктивно их вы­ полняют в виде дисков или пластин квадратной или прямоугольной формы.

Селеновые диоды выпускаются па напряжения до 36 В и вы­ прямленные токи в несколько ампер. Для получения больших вы­ прямленных токов пластины соединяют параллельно, а для полу­ чения больших напряжений — последовательно. Блок из подобной комбинации пластин называется выпрямительным столбом. Вольт-

мальная рабочая температура селенового диода не должна превы­ шать 75°С. К достинствам селеновых диодов нужно отнести спо­ собность выдерживать значительные кратковременные перегрузки и быстро восстанавливаться при пробое.

Меднозакисные (купроксные) диоды. Особенностью вольтамперной характеристики меднозакисных диодов (рис. 2.23, кривая 2) является прямолинейность ее прямой ветви при этих малых напря­ жениях, что имеет большое значение при использовании этих дио­ дов в измерительных схемах. Недостатком меднозакисных диодов является резкое увеличение обратного тока при повышении темпе-

136

ратуры, поэтому максимальная рабочая температура і-іе превышает 60°С. Надежность работы диодов сильно снижается при повышен­ ной ‘влажности и наличии шаров «.ислот, что требует хорошей 'гер­ метизации.

Титановые диоды. 'Вольтампермая характеристика титанового диода іпр'И'ведена «а рис. 2.23 (кривая 3). Достотгнегвогм титановых диодов является высокая максимально допустимая 'рабочаятемпе­ ратура до 250°С, а при кратковременной работе даже до 400°С, что объясняется большой шириной запрещенной зоны (2,8-уЗ, 1 эВ).

Эквивалентная схема диода

На рис. 2.24 приведена эквивалентная схема полупро­ водникового диода по переменному току при малых уровнях ин­ жекции. Схема содержит дифференциальное сопротивление р-п-пе­ рехода Rr, диффузионную емкость перехода Сд, зарядную барьер­ ную емкость перехода С0 и сопротивление г объема р- и «-облас­ тей. Зависимость дифференциального сопро­

щина и заряд которого зависят от полярности и величины прило­ женного напряжения. Таким образом, р-н-переход подобен конден­ сатору, обладающему емкостью Со

Зарядную емкость можно найти из обычной формулы для емко­ сти конденсатора C= dQ/dU, где Q — величина объемного заряда по одну сторону границы раздела р- и «-областей. Выражение для зарядной емкости резкого перехода

Тде П — площадь перехода; ео — диэлектрическая проницаемость

137

вакуума; бо — относительная диэлектрическая проницаемость по­ лупроводника; Л/а и Л/д — концентрация акцепторов в р-области и доноров в «-области соответственно; UK— контактная разность по­ тенциалов;! U — напряжение, приложенное к р-п-переходу.

Для плавного перехода при плавном изменении концентрации примеси (например, при диффузионном методе получения р-га-пере- хода) величина зарядной емкости определяется выражением

где a= N (x)/x — градиент концентрации примеси в переходе. Таким образом, емкость Со увеличивается с ростом концентра­

ции примесей Л / а и Мя, а также с уменьшением приложенного к ди­

ГІ перехода. Она может принимать значения от сотых долей пико­ фарады до сотен пикофарад.

При прямом напряжении на переходе в результате инжекции носителей по обе стороны от него на расстоянии порядка диффу­ зионной длины происходит накопление подвижных зарядов как за счет инжектированных носителей, так и за счет носителей противо­ положного знака, подходящих к переходу из внешней цепи для обеспечения электрической нейтральности области полупроводни­ ка. С изменением приложенного напряжения изменяется и вели­ чина накопленного заряда, что характеризуется емкостью Сд, на­ зываемой диффузионной. Таким образом, диффузионная емкость представляет собой отношение величины приращения инжектиро­ ванного заряда, вызвавшему это приращение изменению напря­ жения на переходе: Ca— dQmr,KeKTldUnp.

Диффузионная емкость зависит от величины прямого тока, так как чем больше ток, тем большее число носителей накапливается по обе стороны от перехода. Кроме того, она зависит от времени жизни неосновных носителей в полупроводнике: чем больше время жиз­ ни неосновных носителей, тем дольше будет существовать накоп­ ленный заряд и тем больше будет диффузионная емкость. С ро­ стом частоты диффузионная емкость уменьшается вследствие уменьшения накопления заряда по обе стороны перехода из-за инерционности передвижения носителей три быстром изменении напряжения. Зарядная емкость Со и сопротивление г от частоты не зависят.

На низких частотах при значительно больших прямых токах диффузионная емкость может достигать тысяч пикофарад, и в этом случае она больше зарядной. На высоких же частотах она может оказаться меньше зарядной.

В точечных диодах сопротивление г называется сопротивлением растекания и определяется материалом объема, сосредоточенного между контактом и /?-«-переходом: r— 'pßna, где а — радиус р-п- перехода под контактом (считается, что переход имеет полусфери­

138

ческую форму); р — удельное сопротивление материала полупро­ водника.

На высоких частотах детекторное действие диодов значительно ухудшается, так как емкости шунтируют выпрямляющий элемент-— сопротивление р-л-перехода. Для улучшения частотных свойств по­ лупроводниковых диодов рекомендуется уменьшать толщину р- и л-областей насколько это возможно по условиям технологии (что­ бы их величина была значительно меньше диффузионной длины); в случае точечных диодов уменьшать диаметр контакта примерно до 10 мкм, в результате чего уменьшится зарядная емкость. Чтобы снизить диффузионную емкость Сд, полупроводниковый диод при ■изготовлении следует легировать не только основными акцептор­ ными и донорными примесями, но и дополнительными нейтраль­ ными примесями, золотом или алюминием, что снижает время жизни неравновесных носителей и накопление зарядов.

Высокочастотные точечные полупроводниковые диоды

Точечный диод (рис. 2.25) состоит из кристалла крем­ ния или германия, припаянного к кристаллодержателю, от которо­ го делают вывод контактной тонкой проволочкой, и баллона. Кон-

Рис. 2.25. Высокочастотный диод:

а) конструкция; б) вольтамперная характеристика;

1 — выводы диода; 2 — баллон; 3 — кристалл полупроводника; 4 — контактная пружина

тактную проволочку приваривают, пропуская через диод импульс тока порядка ІА. 'При этом под контактом образуется область р- типа, для чего материал контактной проволоки должен содержать примесь индия или другого металла с дырочной электропроводно­ стью. Таким образом, выпрямляющий р-л-переход образуется внут­ ри кристалла на некотором расстоянии от точечного контакта. Этот метод получения р-л-перехода называется формовкой.

Ті39