Полупроводниковые диоды

О сновные понятия и определения. П/П Д называется двухэлектродный П/П электропреобразовательный прибор, использующий физические явления в выпрямляющем электрическом переходе и содержащий, как правило, один или несколько таких переходов.

в качестве электрического перехода применяется p-n переход в П/П с одинаковой шириной запрещённой зоны (гомопереход), p-n переход в П/П с различной шириной запрещённой зоны (гетеропереход) или выпрямляющий переход, образованный в результате контакта между металлом и ПП(переход Шоттки). Есть диоды, структура которых не содержит выпрямляющего электрического перехода (диод Ганна), либо содержит два (p-i-n-диоды) или 3 перехода (диодный тиристор или динистор), а также диоды с более сложной структурой переходов (МДМ-, МДП-диоды) [1 – 5].

В диодах с p-n или гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два невыпрямляющих или омических перехода, через которые к p- и n-слоям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, а вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус (рис. 1, а).

Буквами p и n обозначены слои П/П с проводимостью соответственно p-типа и n-типа. Выводы диода наз анодом А (p-слой) и катодом К (n-слой). На УГО направление стрелки диода (анод диода) совпадает с направлением тока (рис. 2).

В диодах с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта между металлом и П/П всего один омический переход (рис.1, б)

П/П Д обладают односторонней проводимостью, которая обусловливается применением П/П структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной p, а другой – электронной n электропроводностью. Такая комбинация ПП слоев с различными типами проводимости обладает способностью гораздо лучше проводить ток в одном направлении (от слоя p к слою n) и гораздо хуже в другом.

Большинство ППД выполняют на основе несимметричных p-n-переходов или переходов металл-полупроводник. Концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Сильнолегированный слой полупроводника, то есть слой, имеющий высокую концентрацию примеси, следовательно, и основных носителей заряда (порядка 10¹⁸ см^-3), наз эмиттером, а слаболегированный слой, имеющий низкую концентрацию примеси (порядка 10¹⁴ – 10¹⁶ см^-3), наз базой.

Если эмиттером является p-слой, в котором концентрация дырок равна p_p, а базой n-слой, в котором концентрация электронов равна n_n, то выполняется условие p_p >> n_n. p-n переход оказывается сдвинутым в область базы. Вследствие низкой концентрации примеси база обладает значительным сопротивлением, то есть является высокоомным слоем. Ширина базы во многих случаях оказывается меньше диффузионной длины дырок.

низкоомный эмиттер "ответственен" за хорошую прямую проводимость, а высокоомная база – за способность выдерживать обратное напряжение. В наиболее быстродействующих диодах – диодах Шоттки – в качестве эмиттера выступает металл.

При полярности внешнего напряжения, при которой происходит понижение потенциального барьера в p-n-переходе (U_АК > 0), то есть при прямом направлении для p-n-перехода (диод открыт), количество носителей заряда, инжектированных из сильнолегированного в слаболегированный слой, значительно больше, чем количество носителей, проходящих в противоположном направлении. Таким образом, при прямом напряжении происходит инжекция в базу неосновных для неё носителей заряда.

Если к ППД приложено внешнее напряжение, при котором происходит повышение потенциального барьера в p-n-переходе (U_АК < 0), то есть в обратном направлении для p-n-перехода (диод заперт), то в основном будет происходить экстракция из базы неосновных для неё носителей заряда. При этом обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

4. Классификация полупроводниковых диодов. П/П Д как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником, то есть электронным прибором с двумя внешними выводами и нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Он выполняет функцию преобразования сигналов (выпрямление, детектирование, умножение частоты, преобразование световой энергии в электрическую и др.).

Большинство типов диодов имеют качественно сходные вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, временные диаграммы токов и напряжений при переключении и т.д. В основе модели диода лежит модель p-n-перехода или перехода металл-полупроводник (где надо исключить диффузионную ёмкость).

В основу классификации полупроводниковых диодов могут быть положены следующие признаки:

-конструктивно-технологические особенности изготовления электрического перехода: точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, эпитаксиальные, диоды Шоттки и др.;

-вид электрического перехода – в зависимости от соотношения между шириной обеднённого слоя перехода и его периметром диоды подразделяются на точечные (ширина перехода больше его периметра), микросплавные (ширина перехода больше его периметра, но не втакой степени, как у точечных) и плоскостные (ширина перехода меньше его периметра);

-применяемый исходный полупроводниковый материал: германий Ge, кремний Si, селен Se,арсенид галлия GaAs,карбид кремния и др.;

-физические процессы, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролётные и др.;

-характер преобразования энергии сигнала: светодиоды, фотодиоды и др.;

-функциональное назначение: выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключательные, умножительные, параметрические и др.;

-частотный диапазон: низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона и др.;

-мощность рассеяния: маломощные, средней мощности и мощные;

-конструктивное оформление: стеклянные, металлические, метало-керамические, пластмассовые и др.

Диоды различного назначения отл друг от друга следующим:

-ПП структурой, то есть типом электрического перехода (p-n, контакт металл-полупроводник, гетеропереход), его площадью и формой (плоский, полусферический и др.), распределением концентраций примесей (ступенчатое, линейное и др.), значением электрофизических параметров полупроводниковых областей (подвижность, время жизни носителей заряда и др.);

-режимом работы перехода (прямое или обратное напряжение, малый гар-монический или большой импульсный сигнал и т.п.);

- конструкцией корпуса (размеры, форма, материал, конструкция выводов);

-диоды различаются системой параметров, приводимых в справочниках. Параметры делятся на электрические и предельные эксплуатационные..

Под предельными эксплуатационными параметрами понимают максимально допустимые токи, напряжения, рассеиваемую мощность, температуру и др величины. Общим для большинства диодов являются следующие максимально допустимые параметры:

-прямой ток – постоянный или импульсный (при заданной длительности и скважности импульсов), либо среднее значение за период переменного сигнала;

обратное напряжение (постоянное или импульсное);

рассеиваемая мощность (средняя или импульсная);

температура корпуса .