ном слое, а тепловые — с увеличением рассеиваемой мощности и, соответственно, температуры.

Вузких p-n переходах при относительно небольших обратных напряжениях обычно возникает полевой пробой. В его основе могут лежать несколько эффектов, основной из которых — туннельный.

Вотносительно широких p-n переходах при обратном напряжении более 15 В возникает лавинный пробой, механизм которого заключаетсявлавинномразмножении носителей зарядаисильномэлектрическом поле под действием ударной ионизации. При лавинном пробое сопротивлениеp-n переходауменьшается, атокрезковозрастает.

Внекоторыхслучаяхраньше, чемвозникаетэлектрическийпробой, можетвозникнутьтепловой, чтоявляетсякрайненежелательнымявлением, посколькуонприводитквыходуp-n переходаизстроя.

1.3.Полупроводниковые диоды

Работа большинства полупроводниковых диодов основана на использовании свойств p-n перехода. Так, выпрямительным диодом является обычный p-n переход, вентильные свойства которого и находят свое основное применение.

Выпрямительными (силовыми) диодами обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания в постоянное. Пробивные напряжения кремниевых выпрямительных диодов могут достигать 1,5...2,0 кВ, а падение напряжения на диоде при протекании прямого тока обычно не превышает 1,5 В. Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3, от 0,3 до 10 и свыше 10 А соответственно.

Выпрямительные диоды, как правило, имеют очень ограниченный частотный диапазон; чаще всего рабочая частота — 50 Гц. Несколько более высокую частоту имеют специальные диоды переменного тока. В последнее время все большее применение находят диоды, рабочая частота которых составляет 10...20 кГц.

Среди выпрямительных диодов особо выделим диод с барьером Шотки. Этот барьер создается при контакте металла с полупроводником (например, кремния с алюминием). Такие диоды характеризуются высоким быстродействием и малым падением напряжения

18

(менее 0,6 В) при протекании прямого тока. Недостатки таких диодов: малое пробивное напряжение и большой обратный ток.

Рассмотрим особенности полупроводниковых стабилитронов

(опорных диодов). Стабилитронами

называются p-n переходы, на ВАХ которых имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающеготока(рис. 1.8). Рабочийучасток ВАХ стабилитрона находится в области электрического (полевого

или лавинного) пробоя. В настоящее время промышленностью выпускаются восновном кремниевые стабилитроны снапряжением стабилизации Uст > 3 В. Напряжение Uст имеет место при среднем рабочем токе, который принято называть током стабилизации Iст .

Динамическое (дифференциальное) сопротивление rд = dU / dI , представляющее наклон ВАХ в области электрического пробоя, будет характеризовать степень стабилизации. Чем меньше rд , тем лучше стабилизация.

Важный параметр стабилитронов — температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН). С изменением температуры напряжение пробоя (стабилизации) изменяется. Характер этого изменения и соответственно знак ТКН определяются видом электрического пробоя. Низковольтные опорные диоды, где наблюдается полевой пробой, имеют отрицательный ТКН, а высоковольтные диоды, где наблюдается лавинный пробой, — положительный ТКН. Знак ТКН при лавинном пробое определяется тем, что скорость (подвижность) носителей заряда уменьшается с возрастанием температуры. Типовые значения ТКН обычно составляют не более 0,2...0,4 % / град.

Чтобы полупроводниковые диоды могли работать в области высоких и сверхвысоких частот (ВЧ и СВЧ соответственно), необходимо обеспечитьвнихминимальныереактивности, чтодостигаетсяспециально принятыми конструктивно-технологическими мерами. В таких диодахминимальныезначенияимеютдиффузионнаяибарьернаяемкости.

В качестве ВЧ- и СВЧ-диодов применяются диоды с барьером Шотки и диоды с гетеропереходом. Гетеропереход — это переход (гранич-

19

ный слой) между двумя полупроводниками с разной шириной запрещеннойзоны. Внекоторыхдиодахсгетеропереходом, каки в диодах с барьером Шотки, процессы прямой проводимости формируются за счет участия только основных носителей заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие высокочастотные характеристики.

В электронике применяют полупроводниковые диоды — варикапы. Варикап — это управляемый конденсатор, использующий свойство p-n перехода изменять свою барьерную емкость под действием внешнего напряжения.

Основное применение варикапов — электронная перестройка частоты колебательных контуров.

Другая разновидность полупроводникового диода — туннельный диод, обладающий участком с отрицательным сопротивлением на ВАХ (рис. 1.9). Отличительные особенности таких диодов: очень малыеудельныесопротивленияобластейp- иn-типа(вырожденныеполу- проводники) исоответственнооченьмалаяшириназапорногослояp-n перехода. Носители зарядов имеют возможность переходить из одной области p-n перехода в другую без изменения своей энергии (по «горизонтали»), т.е. не преодолевая потенциальный барьер. Это явление представляетсобойтуннельныйэффект, отсюдаиназваниедиодов.

ВАХ туннельного диода (рис. 1.9) описывается следующими основными параметрами: током I1, соответствующим максимуму (пику) ВАХ, и напряжением на диоде U1 при токе максимума I1; током минимума I2, соответствующим минимуму «седлу» ВАХ, и напряжением минимума U2; напряжением U3, соответствующим напряжению на диоде при токе, равном I1 на правой части характеристики (разность U3 – U1 приня-

тоназыватьнапряжением скачка). ВАХ туннельного диода иногда

называют N-образной характеристикой (она похожа на латинскую букву N, см. рис. 1.9). Участок этой ВАХ, где с ростом напряжения происходит уменьшение тока, характеризует отрицательное дифференциальное со-

20

противление. Отрицательное сопротивление может представляться не только N-образной ВАХ, но и S-образной. Среди полупроводниковых диодов известны структуры с S-образной ВАХ. Такие диоды называются S-диодами или диодами с длинной базой.

Среди полупроводниковых диодов особняком стоят диодные элементы оптоэлектроники: фотодиод и светодиод. Фотодиод — это фотоэлектрический прибор с одним p-n переходом. В фотодиоде используется явление фотогенерации, т.е. генерации подвижных носителей заряда под действием света. Интенсивность фотогенерации определяется энергией квантов падающего на полупроводник излучения, их потоком и спектром поглощения полупроводника.

Фотодиод может включаться в схему как с внешним источником питания (через дополнительное сопротивление), так и без него. При приложении обратного смещения к p-n переходу режим его работы принято называть фотодиодным.

При отсутствии освещения в фотодиоде протекает лишь темповой токI0 , являющийся обратнымтокомp-n перехода. Если фотодиод осветить, кванты света будут вырывать электроны из связей. При этом дополнительноктепловымносителямзарядавозникнутэлектроныидырки, вызванные световым возбуждением. Если электронно-дырочные пары образуются на расстоянии от запорного слоя, не превышающем диффузионной длины, то они смогут дойти до i-области раньше, чем успеютрекомбинировать. Узапорногослояпарныезарядыразделяются («сортируются») электрическим полем перехода. Заряды, являющиеся неосновными для данной области, увлекаются полем p-n перехода. Основныеносители, оставшиесявозлеi-области, создаютобъемныйзаряд, поле которого увлекает их в противоположнуюсторону.

Чем сильнее световой поток, которым облучается фотодиод, тем выше концентрация возбужденных носителей заряда вблизи запорного слоя и тем больше фототок Iф через диод. На рис. 1.10 приведена ВАХ фотодиода для

21

В широких пределах уровней освещенности фототок зависит от светового потока, падающего на светочувствительную часть диода, прак-

тически линейно. Коэффициент пропорциональност Kф = dIф / dΦ со-

ставляетнесколькомА/лминазываетсячувствительностьюфотодиода. Кроме фотодиодного режима, широко используется вентильный (фотогальванический) режим работы фотодиода, в котором к p-n переходу не прикладывается никакого внешнего смещения, т.е. фотодиод работает без внешнего источника питания. При освещении диода, работающего в вентильном режиме, на его выводах возникает вентильное напряжение. Этот режим применяется при

работе полупроводниковых солнечных батарей.

Светодиоды — это маломощные полупроводниковые источники света, основа которых — излучающий p-n переход; свечение его вызвано рекомбинацией носителей заряда. Неосновные носители

вбазе (инжектированные эмиттером) рекомбинируют и излучают освободившуюся энергию в виде квантов света. Наиболее интенсивно такая излучательная рекомбинация происходит в так называемых прямозонных полупроводниках, типичный представитель которых — арсенид галлия. Такие полупроводники имеют специ-

фическую зонную диаграмму.

Длина волны λ излучаемого света однозначно определяется энергией кванта, которая при излучательной рекомбинации прибли-

зительно равна ширине запрещенной зоны полупроводника. Для светодиодов, изготовленных из арсенида галлия, λ = 0,9...1,4 мкм, т.е. имеет место инфракрасное (невидимое) излучение. Для получения видимого излучения необходимо изготавливать светодиоды из полупроводников с более широкой запрещенной зоной.

Энергетической характеристикой светодиодов является квантовый выход (эффективность), показывающий, сколько квантов излучения на выходе светодиода возникает на каждый электрон, проходящий по цепи управления. Квантовый выход для современных светодиодов обычно составляет 0,01...0,04, у светодиодов с гетеропереходом он может быть увеличен до 0,3, но всегда меньше единицы.

Светодиод — быстродействующий источник света. При работе в номинальномрежимеегопереключениеосуществляетсяза10–7...10–9 c.

Внастоящеевремяфотодиодыисветодиодыширокоиспользуются

вразличныхобластяхэлектроники. Особыйинтереспредставляетоптрон (оптоэлектронная пара) — совокупность светодиода, генерирую-

22