3. Полупроводниковые диоды

Диод – полупроводниковый прибор с двумя выводами, содержащий выпрямляющий электрический переход. Таким переходом может быть p-n-переход или выпрямляющий контакт металл-полупроводник - контакт Шоттки (диод Шоттки).

Диоды с p-n-переходом

Для получения p-n-перехода применяется несколько методов, основными являются следующие:

• Вплавление примесей в исходный – сплавные диоды.

• Диффузия примесей – диффузионные диоды.

• Наращивание эпитаксиального слоя на низкоомной (сильно легированной) подложке с последующей диффузией – планарно-эпитаксиальные диоды.

В диодах применяется резко асимметричный p-n-переход. Область с высокой концентрацией примесей называется эмиттером, менее легированная область – базой. Характеристики диода определяются процессами в базе. В диодах наиболее широко применяется p⁺-n-структура.

Диоды бывают с толстой и тонкой базой. Толщина (ширина) базы w определяется расстоянием от p-n-перехода до омического контакта или до высоколегированно области подложки. В диодах с толстой базой ширина базы значительно больше диффузионной длины L (w>>L) и распределение неосновных носителей описывается экспоненциальной функцией; в диодах с тонкой базой w<<L, распределение практически линейное и в формулах L заменяется на w. В частности,

,

где D – коэффициент диффузии неосновных носителей, N – концентрация легирующий примеси в базе, S – площадь перехода, n_i – собственная концентрация носителей.

Реальные ВАХ диода отличаются от ВАХ идеализированного p-n-перехода, поскольку при выводе теоретической формулы не учитывались процессы генерации и рекомбинации в p-n-переходе, сопротивление объема полупроводника, пробой p-n-перехода.

Эквивалентная схема

Эквивалентную схему (схему замещения) можно представить в виде, приведенном на рис.3.1.

Здесь С_д — общая нелинейная емкость диода С_д=C_бар+C_дф, зависящая также от частоты; r_п — нелинейное сопротивление перехода, r_б — распределенное электрическое сопротивление базы диода. Штриховыми линиями показаны дополнительные элементы: емкость корпуса C_кор, и индуктивность выводов L_выв, которые обычно нужно учитывать лишь в области сверхвысоких частот (СВЧ).

Эквивалентная схема при больших сигналах иногда представляют заменяя нелинейное сопротивление r_п на источник тока I = I₀(e^U/T – 1).

Для малых сигналов С_д и r_п являются дифференциальными параметрами, зависящими от режима (от рабочей точки).

Разновидности полупроводниковых диодов.

Выпрямительные низкочастотные (силовые) диоды.

Эти диоды используются в источниках питания для выпрямления переменного тока. Они работают при сравнительно больших амплитудах переменного напряжения и используется резкая асимметрия ВАХ диода – свойство односторонней проводимости.

Основными параметрами являются средний выпрямленный ток I_пр.ср, среднее прямое напряжение U_пр.ср, средний обратный ток I_обр.ср, максимальное обратное напряжение U_{обр.макс}, предельная частота f_пр, интервал рабочих температур. Предельно допустимые значения параметров зависят от температуры и приводятся в справочниках.

Н а рис3.2 приведена схема однополупериодного выпрямителя (а) ВАХ цепи, состоящей из последовательно включенных диода и резистора, и временные диаграммы, поясняющие процесс выпрямления.

Этот выпрямитель имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что не используется часть энергии первичного источника питания (отрицательный полупериод). Этот недостаток устраняется в схеме двухполупериодного выпрямителя (рис.3.3а), в котором используется диодный мост, условное изображение которого приведено на рис.3.3б.

Выпрямительные диоды имеют большую площадь перехода для обеспечения требуемых выпрямленных токов. В зависимости от допустимого тока различают диоды малой (<300 мА), средней (<10 А) и большой (>10 А) мощности. Силовые диоды с р-п-переходом могут работать до частот обычно не более 1 кГц.

В ыпускается широкая номенклатура германиевых и кремниевых выпрямительных диодов на токи до 500 А.

Максимальное обратное напряжение ограничено напряжением пробоя и лежит в пределах от 50 до 1500 В (у германиевых диодов не превышает 400В).

Для выпрямления высоковольтного напряжения используются выпрямительные столбы, которые представляют собой цепочку последовательно включенных кремниевых диодов, изготовленных в едином технологическом цикле и заключенных в общий корпус.

Выпускаются также выпрямительные блоки – конструктивно завершенные устройства, содержащие диоды, соединенные по определенной схеме (например, мостовой). Созданы мощные выпрямительные блоки, обеспечивающие получение мощности в нагрузке до 100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до 1000 А.

Высокочастотные диоды.

Эти диоды предназначены для преобразования высокочастотных (ВЧ) сигналов на частотах до десятков и сотен мегагерц и включают:

• детекторные диоды, предназначенные для выделения низкочастотного (НЧ) сигнала из модулированных колебаний;

• смесительные диоды, предназначенные для изменения частоты несущей модулированных колебаний;

• модуляторные диоды, предназначенные для модуляции ВЧ колебаний и др.

Принцип действия ВЧ диодов основан на использовании нелинейности ВАХ диода. Для преобразования ВЧ сигналов требуется малая инерционность – емкость диода и сопротивление базы должны быть малы. Поэтому ВЧ диоды имеют малую площадь p-n-перехода и, соответственно, их предельно допустимые прямые токи невелики (обычно менее 100 мА). Применяются планарно-эпитаксиальные, микросплавные, точечные структуры. Для уменьшения сопротивления базы требуется более высокая степень легирования и вследствие этого, а также неравномерного распределения тока, пробивные напряжения, как правило, не превышают 100 В.

Кроме статических параметров – прямое напряжение U_пр, прямой I_пр и обратный I_обр ток – ВЧ диоды характеризуются динамическими параметрами: предельная частота f_пр емкость диода C_Д при обратном напряжении и время восстановления обратного сопротивления t_вос.

ВЧ диоды работают на частотах до сотен МГц, точечные диоды могут работать на частотах до десятков ГГц.

Импульсные диоды.

Импульсные диоды предназначены для работы в ключевом режиме в устройствах формирования и преобразования импульсных сигналов, ключевых и цифровых схемах. В этом режиме диод переключается из состояния с высокой проводимостью (ключ замкнут) в состояние с высоким сопротивлением (ключ разомкнут) и обратно.

В двух устойчивых состояниях импульсные диоды характеризуются такими же статическими параметрами, как и ВЧ диоды – прямое напряжение U_пр, прямой I_пр и обратный I_обр ток. Специфическими параметрами являются прямое импульсное напряжение U_пр.и и максимальный импульсный обратный ток I_{обр.и.макс}.

Быстродействие диода как ключа определяют два параметра – время установления прямого напряжения t_уст и время восстановления обратного сопротивления t_вос. Для характеристики динамических свойств приводятся также емкость диода C_Д при обратном напряжении и заряд переключения Q_пк из открытого в запертое состояние.

И мпульсные диоды работают при высоком уровне инжекции Δp_n>>n_n0, поэтому сопротивление базы не остается постоянным и уменьшается из-за увеличения концентрации носителей.

Рассмотрим переходные процессы в схеме, приведенной на рис.3.4а, при подаче отпирающего и запирающего напряжений, считая E₁, E₂>>U^*.

При прямом включении ток ограничивается сопротивлением R, на диоде появляется скачок напряжения ΔU₁, обусловленный падением напряжения на сопротивлении базы:

I₁=E₁/R, ΔU₁=I₁·r_б

Падение напряжения на переходе в начальный момент равно нулю из-за шунтирования сопротивления r_п емкостью С_Д. По мере заряжения емкости напряжения на переходе возрастает и достигает максимального значения U_пр.и, одновременно база насыщается избыточными носителями и падение напряжения на сопротивлении базы уменьшается, напряжение на диоде падает. Время установления определяется по уровню 1,1 от установившегося значения.

При переключении на обратное напряжение –E₂ возникает обратный ток I₂:

I₂=(E₂+U*)/R,

где U* – напряжение открытого р-п-перехода. На диоде появляется скачок напряжения ΔU₂, обусловленный изменением падения напряжения на установившемся сопротивлении базы r’_б:

ΔU₂=(I₁+I₂)r’_б

При этом на диоде сохраняется прямое напряжение, происходит рассасывание заряда: неосновные носители экстрагируются током через р-п-переход и частично исчезают за счет рекомбинации. Время, за которое концентрация неравновесных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль, t_р, называется временем рассасывания. После этого начинается процесс восстановления обратного сопротивления. Время восстановления обратного сопротивления диода (t_вос): определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает заданного уровня. Обычно принимается уровень 0,1 или 0,01 от значения прямого тока.

Диоды Шоттки.

Диод Шоттки представляет собой кристалл полупроводника с двумя металлическими контактами, один из которых является выпрямляющим (контакт Шоттки), другой – омическим. Он создаётся путём напыления металлов на полупроводник, например, кремний n-типа. Свойства этих контактов рассмотрены в разделе 2.2. Главная особенность этого диода – это отсутствие инжекции неосновных носителей заряда в процессе его работы. Следовательно, отсутствуют процессы их накопления и рассасывания, поэтому диоды Шоттки имеют лучшие частотные свойства и высокое быстродействие переключения в импульсных схемах.

Диоды Шоттки применяются в качестве ВЧ диодов и импульсных диодов, обеспечивая время восстановления t_вос до десятых – сотых долей наносекунд.

Они применяются также как мощные выпрямительные диоды, позволяя получить более высокий КПД по сравнению с обычными кремниевыми диодами за счет меньшего прямого напряжения, составляющего около 0,3-0,4 В.