Электроника и схемотехника, учебное пособие, Щ.А.С., О.А.Г

101

материала (в настоящее время после букв СН ставится цифра 1 — условный код карбида кремния).

-Третий элемент (после дефиса) — цифра, обозначающая тип конструктивного оформления прибора (1 — стержневой тип, 2— дисковый, 3 — микромодульное исполнение).

- Четвертый элемент (после дефиса) — цифра, характеризующая длину токопроводящего элемента варистора.

Примеры маркировки: СН1-1-1, СН1-1-2, CHI-2-2, СН1-3.

5.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами, содержащий один электронно-дырочный переход.

Наибольшее применение получили германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды, а также диоды, выполненные на основе соединений галлия.

В зависимости от способа получения электронно-дырочных переходов полупроводниковые диоды делятся на два типа: плоскостные и точечные. На рис. 5.13 приведены графические обозначения распространѐнных типов полупроводниковых диодов.

Рис. 5.13. Условные графические обозначения полупроводниковых диодов: а - диод, вентиль полупроводниковый, выпрямительный столб (общее обозначение); б - диод туннельный; в - диод обращѐнный; г - стабилитрон; д - варикап; е - фотодиод; ж – светодиод;

з- тиристор диодный; и - тиристор триодный.

Всоответствии с ГОСТ 108 62-72 обозначения вновь разрабатываемых и модернизируемых полупроводниковых диодов состоят из шести элементов:

- Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный материал: Г или 1 — германий; К или 2 — кремний; А или 3 —соединения галлия.

Обозначения, начинающиеся с цифры, присваиваются приборам, которые могут работать при повышенных температурах (германиевым прибором при 70° С, а кремниевым

102

при 120° С).

-Второй элемент (буква) указывает на тип полупроводникового диода: Д - выпрямительные, универсальные, импульсные диоды; Ц- выпрямительные столбы и блоки; А- сверхвысокочастотные диоды; С - стабилитроны и стабисторы; И - туннельные и общенные диоды; В - варикапы; Л - излучающие диоды; Г- генераторы шума; Б - диоды Ганна; К - стабилизаторы тока.

-Третий элемент — число, определяющее назначение и качественные свойства дио-

дов.

Выпрямительные диоды бывают:

малой мощности (со средним значением прямого тока не более 0,3 А) - 1, средней мощности (со средним значением прямого тока более 0,3 А, но не более 10 А) -2,

Универсальные (с рабочей частотой не более 1000 МГц) - 4 Импульсные:

со временем восстановления обратного сопротивления более 150 нс - 5, со временем восстановления обратного сопротивления более 30 нс, но не более 150 нс - б,

со временем восстановления обратного сопротивления более 5 нс, но не более 30 нс - 7, со временем восстановления обратного сопротивления не менее 1 нс и не более 5 нс -8, со временем восстановления обратного сопротивления менее 1 нс - 9,

Выпрямительные столбы и блоки:

столбы малой мощности (среднее значение прямого тока не более 0,3 А) - 1, столбы средней мощности (со средним значением прямого тока более 0,3÷10 А) - 2, блоки малой мощности (со средним значением прямого тока не более 0,3 А) - 3, блоки средней мощности (со средним значением прямого блока более 0,3÷10 А)- 4

регулирующие (переключательные, ограничительные и модуляторные) -5,

Третей элемент обозначения стабилитронов и стабисторов определяет индекс мощности:

Мощностью не более 0,3 Вт:

Четвертый и пятый элементы (цифры) обозначают порядковый номер разработки от

01 до 99 (за исключением стабилитронов и стабисторов). У стабилитронов, имеющих напряжение стабилизации от 1 до 9,9 В и от 10 до 99 В, четвертый и пятый элементы обозначают напряжение стабилизации в вольтах (при напряжении стабилизации менее 10 В четвертый элемент обозначает целое число, а пятый - десятые доли напряжения стабилизации), а у стабилитронов, имеющих напряжение стабилизации от 100 до 199 В,- разность между номинальным значением напряжения стабилизации и 100 В. У стабисторов, имеющих напряжение стабилизации менее 1 В, четвертый и пятый элементы обозначают десятые и сотые доли вольта.

Шестой элемент (буквенный) обозначения диодов определяет разновидность прибора по технологическим признакам, а у стабилитронов и стабисторов - указывает на последовательность разработки.

Примеры маркировки: ГД412А - диод полупроводниковый универсальный, германиевый, номер разработки 12, группа -А; АИ301А - диод туннельный переключательный, предназначенный для устройств широкого применения, из арсенида галлия, номер разработки 01, группа А; АЛ302Асветодиод, предназначенный для устройств широкого применения, из соединений галлия, с яркостью не более 500 кд/м2, номер разработки 0,2 группа А; КС168А - стабилитрон полупроводниковый, кремниевый, мощностью - не более 0,3 Вт, с напряжением стабилизации 6,8 В, последовательность разработки А.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная (ВАХ). На рис. 5.14 приведены типовые ВАХ германиевого (1) и кремниевого (2) диодов.

104

Рис. 5.14

Кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов может достигать 1000—1500 В, в то время как у германиевых оно лежит в переделах 100— 400 В. Кремниевые диоды могут работать при температурах от —60 до + 150° С, а германиевые — от —60 до +85° С. Это обусловлено тем, что при температурах выше 85° С резко увеличивается собственная проводимость германия, приводящая к недопустимому возрастанию обратного тока. Вместе с тем прямое падение напряжения у кремниевых диодов больше, чем у германиевых. Это объясняется тем, что у германиевых диодов можно получить величину прямого сопротивления в 1,5÷2 раза меньшую, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки. Поэтому мощность, рассеиваемая внутри германиевого диода, оказывается во столько же раз меньшей. В связи с этим в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.

К основным стандартизированным параметрам (ГОСТ 20004-74) выпрямительных диодов относятся:

Средний прямой ток Iпр.ср - среднее за период значение прямого тока.

Максимально допустимый средний прямой ток Iпр.ср.макс.

Средний выпрямленный ток/ Iвп.ср- среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока).

Максимально допустимый средний выпрямленный ток I вп.ср.мас.

Постоянное прямое напряжение Unр - значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе.

Среднее прямое напряжение Unр.ср - среднее за период значение прямого напряжения при заданном среднем значении прямого тока.

Постоянное обратное напряжение Uобр - значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении.

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.макс.

Максимально допустимое импульсное обратное напряжение Uобр.и.макс.

105

Постоянный обратный ток Iобр - значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

Средний обратный ток Iобр.ср — среднее за период значение обратного тока.

Полупроводниковые выпрямительные диоды по эксплуатационной надежности и сроку службы значительно превосходят все остальные типы вентилей. Поэтому они наиболее широко применяются в современных выпрямительных устройствах.

5.3. 1. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

Светоизлучающие диоды — СИДы, используемые в связи, излучают свет в близкой ИК области. Они недороги, по сравнению с большинством лазеров. Первоначально СИДы использовались с многомодовым волокном, учитывая, что они излучали свет в широком конусе, который мог быть захвачен эффективно только многомодовым волокном, имеющим большую числовую апертуру.

СИД в самом простейшем случае является диодом с р-п гомопереходом, смещенным в прямом направлении. Рекомбинация пар электрон-дырка в обедненной зоне генерирует свет. Часть его выходит из диода и может быть собрана и направлена в оптоволокно. Излучаемый свет некогерентен, имеет достаточно широкий спектр (30-60 нм) и излучается в конусе под относительно большим углом.

Структура СИДа может быть классифицирована как структура с излучающей поверхностью или с излучающим срезом, в зависимости от того, излучает ли СИД свет из поверхности, параллельной плоскости перехода, или из среза области перехода. На рис. 4.2 показана конструкция этих двух типов СИДа. Оба типа могут быть сформированы путем использования либо р-л гомоперехода, либо гетероструктуры,- в которой активная область окружена слоями подложки р- и п -типов. Диод на основе гетероструктуры Обладает лучшими характеристиками. Он обеспечивает управление во всей области эмиссии и позволяет устранить внутреннюю абсорбцию, благодаря прозрачности слоев подложки. Такой СИД очень неэффективен. Даже при надлежащем проектировании, поверхностно излучающий диод может обрать в оптоволокно не более 1% генерируемой внутри мощности.

5.3. 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Полупроводниковый лазер - лазер на основе полупроводниковой активной среды. В отличие от других типов, в полупроводниковом лазере используются квантовые переходы между разрешѐнными энергетическими зонами, а не дискретными уровнями энергии Лазерный эффект в полупроводниковом лазере. связан в основном. с межзонной люминесценцией (излучательной рекомбинацией, созданной внешним воздействием избыточных электронов и дырок ( рис. 5.16). Поэтому длину волны λ лазерного излучения можно выразить через ширину запрещѐнной зоны εg:

где h - постоянная Планка, с — скорость, света. Полупроводниковые лазеры перекрывают

106

спектральный диапазон λ от 0,3 мкм до 45 мкм.

Рис. 5.16

Если системные требования не так строги, то в качестве источника света обычно выбирается СИД. Лазерные диоды обычно используются для линий связи большой длины или при большой скорости передачи (свыше 155 Мбит/с). Существует несколько типов ЛД (все моды, рассмотренные ниже, продольные — LM):

-многомодовые (MLM) или с резонаторами Фабри—гПеро;

-одномодовые (SLM);

-одномодовые с распределенной обратной связью (DFB), часто называемые DFBлазерами;

-DFB-лазеры с внешним модулятором;

-лазеры с вертикальной резонаторной полостью и излучающей пойерхностью

(VCSEL).

Вполупроводниковой активной среде может достигаться очень большой показатель оптического усиления (до 104 см-1), благодаря чему размеры полупроводникового лазера исключительно малы, например, длина резонатора может составлять нескольких мкм, ти-

пично – 200 -300 мкм. Помимо компактности, особенностями полупроводникового лазера. являются малая инерционность (10-9 с), высокий КПД (10—50%), возможность плавной спектральной перестройки, большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне. К достоинствам полупроводникового лазера следует также отнести совместимость полупроводникового лазера с полупроводниковыми приборами других типов

ивозможность монолитной интеграции, возможность электронного управления режимом генерации и параметрами излучения - длиной волны λ, степенью когерентности, числом спектральных мод и т. п., возможность ВЧ-модуляции излучения путѐм модуляции тока

накачки, низковольтность (<1…3 В) электропитания, а также наибольшую среди лазеров других типов долговечность (до 10б ч).

107

Полупроводниковый лазер включает в себя активный элемент из полупроводникового монокристалла, чаще всего в форме бруска («чипа»). Собственно активная область элемента обычно составляет лишь его малую часть, и еѐ объѐм, например, в современном, т. н. полосковом, инжещионном лазере, оказывается в пределах 10-11-10-10 см3. Оптический. резонатор полупроводникового лазера образован либо торцевыми зеркальными гранями активного элемента (изготовляемого обычно путѐм раскалывания пластин по плоскостям спайности кристалла), либо внешними отражателями и сложными устройствами с периодическими структурами обратной связи (брэгговскими отражателями и структурами распределѐнной обратной связи).

Накачка. Важнейшим способом накачки в полупроводниковом лазере является инжекция избыточных носителей заряда через р - п-переход, гетеропереход или другой нелинейный электрический контакт. Инжекционный лазер изготавливают с активной полоской, вытянутой вдоль оси оптического резонатора перпендикулярно двум плоскопараллельным торцам лазера. Из-за сравнительно малых размеров излучающего пятна на торце инжекционного лазера испускаемое излучение сильно дифрагирует при выходе во внешнюю среду и его направленность оказывается невысокой (угол расходимости лазерного пучка составляет 20 - 40° и обычно заметно различается во взаимно ортогональных плоскостях).

Другими способами накачки служат электрический пробой в сильном поле (например, в так называемых. с т р и м е р н ы х лазерах), освещение (полупроводниковый лазер с о п - т и ч е с к о й н а к а ч к о й ) и бомбардировка быстрыми электронами (полупроводниковый лазер с э л е к т р о н н о - л у ч е в о й и л и э л е к т р о н н о й накачкой).

Полупроводниковый лазер с накачкой электрическим пробоем содержит активный элемент в форме чипа-резонатора с контактами для подведения высоковольтного напряжения. В стримерном полупроводниковом лазере используется пробой при стримерном разряде в однородном полупроводниковом образце высокого сопротивления. Напряжение в этом полупроводниковом лазере подводится в виде коротких импульсов, а излучающее пятно быстро перемещается вслед за головкой (стримером) электрического разряда.

При использовании оптической или электронно-лучевой накачки активная область располагается в приповерхностном слое полупроводникового образца, и толщина этой области зависит от глубины проникновения энергии накачки. В зависимости от взаимного расположения пучка накачки и лазерного луча используют как продольный, так и поперечный вариант геометрии накачки. Полупроводниковый лазер с электронно-лучевой накачкой помимо активного элемента (мишени) включает в себя электронную пушку. Особенностью лазеров с такой накачкой является возможность быстрого изменения конфигурации накачки, например, сканирования со скоростями, обеспечивающими воспроизведение телевизионного изображения (лазерное проекционное телевидение).

Физический механизм. Рабочие уровни в полупроводниковом лазере обычно принадлежат энергетическим зонам, т. е. областям сплошного спектра энергетических состояний, а активными частицами лазерной среды являются свободные носители заряда. Накачка

108

обеспечивает поступление избыточных электронов в зону проводимости и избыточных дырок в валентную зону (например, оптическая накачка порождает избыточные пары носителей - электронов и дырок - за счѐт межзонного поглощения. Время свободного пробега носителя обычно мало (10-13 — 10-12 с) вследствие быстрых процессов внутризонной релаксации носителей (в частности, электрон-электронных столкновений, рассеяния на фононах и примесях и т. п.). В результате неравновесные носители могут «термализоваться», т. е. перейти на более низкие энергетические уровни в пределах своей зоны, распределившись по энергии в соответствии с функцией распределения Ферми для электронов fэ и дырок fд.

Материалы и структуры. В полупроводниковом лазере применяются т. н. прямозонные полупроводники (рис. 5.17, а), в которых термализирующиеся носители обоих знаков приобретают примерно одинаковый квазиимпульс, собираясь в соответствующих экстремумах своих зон и затем излучательно рекомбинируя с выполнением закона сохранения квазиимпульса (импульс фотона составляет относительно малую величину).

Рис. 5.17

В непрямозонных полупроводниках (рис. 5.17, б) для рекомбинации носителей требуется участие др. частиц или квазичастиц (напр., фононов, обладающих соответствующим квазиимпульсом), что существенно снижает вероятность излучательного перехода. В результате излучательные переходы не могут конкурировать с безызлучательными. Для непрямозонных полупроводников (к ним относятся, в частности, Si, Ge, SiC, GaP и др.) характерна слабая межзонная люминесценция, в них не развивается усиление, достаточное для возникновения генерации на этих переходах. Попытки создания эффективных. лазеров на непрямозонных полупроводниках остались безуспешными. Прямозонные полупро-

водники, используемые в полупроводниковом лазере, относятся в основным к трѐм группам соединений: AIII Bv , АIV ВIV , АII ВVI (первые две используются в инжекционных по-

лупроводниковых лазерах). Кроме бинарных соединений, имеются многочисленные ряды

109

изоморфных твѐрдых растворов, например, GalnPAs означает GaxIn1-xP1-yAsy, где х и у — мольные доли соединений Ga и As, соответственно, составляющих многокомпонентную, в данном случае четырѐхкомпонентную, смесь).

Среди лазерных материалов выделяются соединения и составы, входящие в так называемые и з о п е р и о д и ч е с к и е пары, т. е. пары кристаллов, различающиеся по химическому составу, ширине запрещѐнной зоны и другим физическим свойствам, но имеющие одинаковый период кристаллической решѐтки. Такие материалы пригодны для образования бездефектных гетеропереходов путѐм наращивания одного материала на другом эпитаксиальными методами. Совершенные гетеропереходы необходимы для формирования лазерных гетероструктур, широко используемых в современных полупроводниковых лазерах (называемых также гетеролазерами).

В изопериодической паре более узкозонный компонент служит в качестве активного вещества и, следовательно, должен быть прямозонным материалом. Более широкозонный компонент выполняет роль эмиттерных слоѐв. Подбор изопериодических. материалов среди бинарных соединений весьма ограничен. Лучшей парой являются соединения GaAs (прямозонное εg≈1,5 эВ) и AlAs (непрямозонное, εg≈2,1 эВ), у которых периоды решѐтки различаются на 0,14%. В твѐрдых растворах бинарных соединений период решѐтки плавно зависит от состава; возможности подбора в них изопериодических пар расширяются. Примером могут служить пара InP (εg≈ 1,35 эВ) и Ga 0,47In0,53As = 0,74 эВ), используемая в гетеролазере на длине волны 1,67 мкм. В четверных и других. многокомпонентных твѐрдых растворах существуют непрерывные ряды изопериодических материалов: например, пара 1пР - GaxIn1-xP1-yAsy перекрывает диапазон длин волн 1,0 -1,67 мкм, если между х и у соблюдается «изопериодическое» условие у ≈2,2х/(1 + 0,06х).

В лазерных гетероструктурах активная область обычно представляет собой тонкий или сверхтонкий (< 100 нм) слой (иногда - несколько таких слоѐв с прослойками между ними), заключѐнный между широкозонными эмиттерными слоями (т. н. двойная гетероструктура). Активный слой обычно обладает свойствами диэлектрического. волновода, который удерживает поток излучения, распространяющийся вдоль него, и уменьшает дифракционные оптические потери. Активный слой образует собой потенциальную яму для избыточных носителей одного или обоих знаков, и в случае особо малой его толщины (< 30 нм) в нѐм проявляется волновая природа электронов - квантование энергетических уровней в яме оказывает влияние на спектральную форму полосы усиления. Такие полупроводниковые лазеры. называются к в а н т о в о р а з м е р н ы м и или лазерами с «квантовыми ямами». Уменьшение активного объѐма позволяет понизить мощность накачки, необходимую для получения режима генерации. В наиболее миниатюрных лазерах пороговый ток генерации составляет около 1 мА при комнатной температуре, а для получения оптической мощности 1 мВт достаточен ток накачки 5-10 мА. Распространѐнным вариантом планарной лазерной гетероструктуры является двойная гетероструктура с трѐхслойным волноводом (рис. 6), в которой собственно активный слой снабжѐн тонкими волноводными прослойками. На основе такой модифицированной гетероструктуры достигнуты наиболее высокие характеристики инжекционного лазера. В заращѐнных или заглублѐнных полосковых гетероструктурах активный волновод представляет собой полос-

110

ку, ограниченную гетеропереходами со всех боковых сторон.

В инжекционных лазерах удаѐтся использовать только те лазерные материалы, в которых можно получить р - п- переход или р - п -гетеропереход, а также возможно обеспечить протекание тока достаточно высокой плотности (102—104 А/см2). К ним не относятся, в частности, прямозонные соединения типа АII –ВVI и ряд др. полупроводников (Те, GaSe и др.). Ко всем материалам для полупроводниковых лазеров применимы бесконтактные способы накачки – оптическая и электронно-лучевая.

5.4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРИОДЫ

Комбинация двух близко расположенных друг к другу р-п-переходов в одном кристалле, полупроводника представляет собой плоскостной полупроводниковый триод (английское название: транзистор). Транзистором называется преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, пригодный для усиления мощности

(ГОСТ 15133-69).

Электронная промышленность выпускает широкий ассортимент транзисторов, применение которых позволяет создать экономичную по питанию, малогабаритную и надежную аппаратуру. Графические изображения применяемых полупроводниковых транзисторов приведены на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Условные графические изображения транзисторов: 1-транзистор типа р-n-p; 2 - транзистор типа n-p-n; 3 - однопереходный транзистор с n-базой; 4 - однопереходный транзистор с p-базой; 5 - полевой транзистор с каналом n-типа; 6 - полевой транзистор с каналом p-типа; с 7 – полевой транзистор с изолированным затвором (а – обогащѐнного типа с p-каналом; б - обогащѐнного типа с n-каналом; в – обеднѐнного типа с p-каналом; г- обеднѐнного типа с n-каналом); 8 – полевой транзистор с двумя изолированными затворами обеднѐнного типа с n-каналом и с выводом от подложки; 9 - полевой транзистор с изолированным затвором обогащѐнного типа с p-каналом и с выводом от подложки; 10 – фототранзистор типа р-n-p.

Наиболее распространенные транзисторы имеют два р-n-перехода. В них используются носители заряда обеих полярностей. Такие транзисторы называются биполярными. Особую группу составляют полевые, или канальные, транзисторы, которые часто на-

зывают униполярными, а также однопереходные транзисторы (двухбазовые диоды).