Тема 1.4: Полупроводниковые диоды.

1.4.1 Общая характеристика и классификация полупроводниковых диодов.

1.4.2 Выпрямительные диоды.

1.4.3 Стабилитроны

1.4.4 Варикапы.

1.4.5 Фотодиоды.

1.4.6 Светодиоды.

1.4.7 Металлополупроводниковые диоды (диоды Шоттки).

1.4.8 .Туннельные диоды.

1.4.1 Общая характеристика и классификация полупроводниковых диодов.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним рn-переходом и двумя выводами. Разрез структуры полупроводникового диода показан на рисунке 27.

Рис. 27

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей называется эмиттером, а другая с меньшей концентрацией – базой. Обычно база имеет электропроводность n-типа и ее толщина значительно больше области эмиттера имеющей электропроводность р-типа. К р и n областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, называемые соответственно анодом и базой . На рис. 29 показано условное графическое изображение диода на принципиальных электрических схемах.

Рис. 29

ВАХ диода показана на рис. 30 и представляет собой не что иное как ВАХ рn перехода.

Рис. 30

По признакам, положенным в основу классификации, диоды делят на следующие группы:

I По роду исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенид галлиевые и др.

II По конструктивно технологическим признакам:

1) Точечные – это диоды у которых рn переход образуется в месте контакта полупроводника с острием металлической проволоки-пружины. Для надежного контакта по проволоке пропускают импульс тока вплавляющий острие металла в полупроводник. В результате диффузии металла в полупроводник образуется полусферический рn переход (рис 31).

Рис.31

Благодаря малой площади рn перехода, диод обладает очень малой емкостью перехода и используется в электрических цепях с частотой тока до сотен МГц. Но малая площадь рn перехода определяет также и небольшой допустимый ток диода.

2) Плоскостные сплавные – это диоды у которых р-n переход выполняют методом сплавления полупроводниковой пластины с металлом. (рис. 32)

Рис 32

Металл, содержащий донорные или акцепторные примеси, накладывают на полупроводник и нагревают до температуры, когда часть полупроводника растворяется в полученном расплаве. При охлаждении происходит рекристаллизация полупроводника с примесью вплавленного металла и образуется р-n переход.

3) Диффузионные – это диоды у которых рn переход изготавливают посредством диффузии в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазах. Если диффузия примеси проводится через отверстие в защитном слое на поверхности полупроводника, то получают планарный р-n переход.

Рис. 33

III По физическим свойствам и назначению: на выпрямительные и специальные.

А) Выпрямительные диоды в зависимости от частоты и формы переменного напряжения делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные.

Б) Специальные – это типы диодов в которых используют различные свойства р-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

IV По основным электрическим параметрам диоды различаются величинами допустимых токов, напряжений, мощностей.

Для защиты рn перехода от воздействия окружающей среды кристалл полупроводника с образованным в нем рn переходом помещают в герметичный корпус. Размеры кристалла, а также габариты и форма корпуса определяются максимальной рассеиваемой диодом мощностью, величиной его рабочего тока и некоторыми другими показателями. На рис. 34 изображена одна из конструкций маломощного полупроводникового диода.

Рис. 34

Кристалл 1, содержащий р-n переход, припаивают к кристаллодержателю 2, который служит омическим контактом и теплоотводом. Этот контакт соединен с корпусом 3 и является внешним выводом. Второй вывод диода 4 отделен от корпуса изолятором 5.

1.4.2. Выпрямительные диоды.

Выпрямительными называют диоды предназначенные для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный производимого на основе свойства односторонней проводимости электронно-дырочных переходов. На рис. 35 показана простейшая схема диодного выпрямителя, а на рисунке 36 временные диаграммы поясняющие его работу.

При подаче на вход выпрямителя переменного напряжения, изменяющегося, например, по гармоническому закону (рис. 36а), ток через диод и сопротивление нагрузки R_Н протекает лишь в течение положительных полупериодов входного напряжения (рис. 36б). Следовательно напряжение на нагрузке, как и ток будет носить пульсирующий характер (рис. 36в). Качество выпрямленного напряжения можно улучшить, подключив параллельно нагрузке емкость С. В течение положительных полупериодов входного напряжения, когда диод проводит ток, емкость С заряжается. В отрицательные полупериоды входного напряжения, емкость С разряжается на нагрузку R_Н, чем обеспечивается сглаживание пульсации напряжения на выходе.

Параметры выпрямительных диодов:

1. I_{пр max} – максимально допустимый прямой ток

2. U_{пр. max} – прямое падение напряжения на диоде соответствующее току

3. U_проб. – максимально допустимое обратное напряжение на диоде

4. I_{обр ном} – номинальный обратный ток

5. I_{выпр. сред. max} – максимально допустимый средний выпрямленный ток, который может длительно проходить через диод не вызывая изменения его параметров

6. R_пр; R_обр – статические прямое и обратное сопротивления диода. Это сопротивление диода по постоянному току для заданных точек ВАХ.

; (рис. 38). У выпрямительных диодов R_пр составляет единицы-десятки Ом; R_обр – сотни кОм.

7. R_д.пр; R_д.обр – динамические (дифференциальные) сопротивления диода, характеризующие его свойства к небольшим изменениям (приращениям) тока и напряжения. ; (рис.37).

8. Р_max – максимально допустимая мощность, которую диод рассеивает в окружающее пространство в виде тепла.

1.4.3 Стабилитроны

С табилитронами называют полупроводниковые диоды, используемые для стабилизации электрического напряжения. На обратной ветви ВАХ стабилитрона имеется четко выраженный участок электрического пробоя (рис. 39), на котором напряжение остается практически постоянным при изменении тока а широких пределах.

Рис. 39

Это позволяет использовать стабилитрон для стабилизации напряжения. Участок пробоя на обратной ветви ВАХ является рабочим участком стабилитрона. На рис. 40 показано условное графическое изображение стабилитрона на принципиальных электрических схемах.

Параметры стабилитрона:

1. U_ст – напряжение стабилизации, практически совпадающее с напряжением пробоя.

2. I_{ст. min}, I_{ст max.} – предельные величины рабочих токов стабилитрона.

3. - дифференциальное сопротивление на участке стабилизации.

4. температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации.

На рис. 41 представлена принципиальная схема стабилизатора напряжения на стабилитроне.

Он содержит два элемента – стабилитрон, включаемый параллельно нагрузке R_н и балластное сопротивление R_б. При изменении входного напряжения на величину возникает приращение тока , которое практически полностью ответвляется в стабилитрон, т.к. его сопротивление в режиме пробоя существенно меньше R_н. Поскольку при изменении тока на рабочем участке стабилитрона напряжение на его зажимах меняется мало, то практически все приращение входного напряжения выделяется на балластном сопротивлении . При этом напряжение на нагрузке меняется незначительно.

При изменении сопротивления нагрузки, но неизменном U_вх, ток проходящий через сопротивление R_б остается постоянным, но меняется распределение токов между стабилитроном и сопротивлением нагрузки.

.

1.4.4 Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости С_бар от значения приложенного обратного напряжения, что позволяет применять варикап в качестве элементаэлектрически управляемой емкостью. Условное графическое изображение варикапа на принципиальной электрической схеме показано на рисунке 42.

Рис.42

Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от значения приложенного обратного напряжения, называемая вольтфарадной характеристикой (рис. 43).

Рис.43

Параметры варикапа:

1) С_ном – номинальная емкость при заданном внешнем напряжении U_ном.

2) С_max, C_min – максимальная и минимальная емкости в пределах заданного диапазона изменения обратного (управляющего) напряжения от U_min до U_max.

3) Температурный коэффициент емкости где - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры окружающей среды.

В основном варикапы используются в схемах для электронной настройки частоты колебательных контуров как показано на рис. 44.

1.4.5 Фотодиоды.

При освещении р-n перехода и примыкающих к нему участков полупроводников между ними возникает электродвижущая сила. Этот эффект называют фотогальваническим (или внутренним фотоэффектом).

На рис. 45 показан разрез структуры полупроводникового диода с падающим на область pn перехода потоком фотонов. Этот поток фотонов создает в прилегающих к границе раздела р и n областях некоторое количество подвижных носителей зарядов – электронов и дырок.

Рис. 45

Часть из них, диффундируя к переходу, достигает его границы. На границе перехода электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем перехода. Не основные носители, для которых поле перехода будет ускоряющим, выбрасываются этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем перехода в своей области, создавая накопление не скомпенсированных зарядов и образуя на р-n переходе добавочную разность потенциалов, называемую фотоэлектродвижущей силой (фото Э.Д.С.). Фото Э.Д.С. зависит от интенсивности светового потока и обычно составляет десятые доли вольта. Если цепь рn структуры при этом замкнуть, то в ней под действием фото Э.Д.С. возникает электрический ток, сила которого зависит от величины светового потока и сопротивления нагрузки.

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, работа которого основана на явлении внутреннего фотоэффекта, и предназначенный для преобразования световой энергии в электрическую. УГО фотодиода показано на рис. 46

Рис. 46

Фотодиоды изготавливаются на основе германия, кремния, сернистого серебра, арсенида галлия. Конструктивно фотодиоды состоят из двух слоев полупроводника с электропроводностями разных типов, на границе между которыми создается р-n- переход. В конструкции фотодиодов предусмотрена возможность попадания светового потока в область р-n перехода.

Существует два режима работы фотодиода: фотогенераторный (без внешнего источника напряжения питания) и фотопреобразовательный (с внешним источником напряжения питания) .

В фотогенераторном режиме при разомкнутом ключе К и отсутствии освещения (Ф=0) диффузионная и дрейфовая составляющие токов р-n перехода уравновешиваются и ток через переход равен 0.

При освещении в области р-n перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного нескомпенсированного заряда разделяет эти пары: дырки дрейфуют в Р-область, электроны в N. Возникновение дополнительного числа неосновных носителей заряда приводит к возрастанию дрейфового тока через р-n переход на величину представляющую собой фототок I_Ф, т.е. I_ДР=I₀+I_Ф где I₀ – тепловой ток через р-n переход.

Т.к. в результате освещения в р области накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в n области с отрицательным, то между электродами появится разность потенциалов, называемая фото э.д.с. и имеющая полярность указанную на рис. 45. (У кремниевых диодов 0,5-0,6 В; у германиевых 0,3-0,4 В).

1.4.6 Светодиоды

Процесс преобразования в рn структуре энергии электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называется электролюминисценцией. При подаче прямого напряжения на рn переход, через него проходит ток и в прилежащих к переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов – электронов и дырок. Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии. Часть этой энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная часть излучается в виде квантов света и фиксируется зрительно. Рекомбинационное излучение может возникать лишь в р-n структурах на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны (карбид кремния, арсенид или фосфид галлия). Интенсивность такого светового излучения зависит от величины протекающего через р-n- переход тока, а само излучение лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра .(см. график на стр. 47).

Рис. 47

Светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией.

УГО светодиода показано на рис. 48.

Рис. 48

В качестве исходного полупроводникового материала для изготовления светодиодов используют арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiС). Конструктивно светодиод содержит кристалл полупроводника с сформированным в нем p-n переходом, на который подается прямое напряжение. Кристалл полупроводника с соответствующими выводами помещают в специальный корпус, верхняя часть которого заканчивается стеклянной линзой, с помощью которой излучение приобретает заданную направленность (рис. 49).

Рис. 49

Параметры светодиода:

1. В (кд/м²) – яркость свечения при максимально допустимом прямом токе, I_{пр max}, мА.

2. Полная мощность излучения Р_полн, мВт.

3. Постоянное прямое напряжение U_пр при I_{пр max}.

4) Цвет свечения, или спектральная мощность излучения.

1.4.7 Диоды Шоттки

Работа - которую для отрыва от поверхности тела затрачивают электроны против электрических сил возвращающих их обратно называется работой выхода электрона.

На рис.50 изображена NM структура (металл-полупроводник N-типа).

В такой структуре подбирают металл с работой выхода электронов больше, чем у полупроводника и следовательно преобладающим будет перемещение электронов из полупроводника в металл. В результате металл зарядится отрицательно, а оставшиеся в полупроводнике ионы донорной примеси создадут в его приграничном слое положительный потенциал (рис.19). Такое распределение зарядов создаст контактную разность потенциалов U_К, препятствующую дальнейшему перемещению электронов, подобно тому, как это имеет место в PN структуре. Аналогично PN переходу MN переход обедняется носителями и его электрическое сопротивление повышается. Под действием приложенного к такому переходу обратного напряжения, совпадающего с U_K, ширина обедненной области увеличится. При противоположной (прямой) полярности внешнего напряжения обедненная область сужается. Следовательно MN переход уподобляется РN переходу и их ВАХ оказываются аналогичными.

Такой MN переход называют выпрямляющим или переходом Шоттки.

Особенности перехода Шоттки :

1. Значительно меньшее прямое падение напряжения по сравнению с РN переходом, поскольку одно из веществ MN перехода металл и его электрическое сопротивление значительно меньше, чем у полупроводника (рис. 51).

2. Отсутствие инжекции неосновных носителей заряда из металла в полупроводник (в данном случае дырок), а следовательно и отсутствие диффузионной емкости, связанной с накоплением неосновных носителей в полупроводнике.

Металлополупроводниковые диоды – это диоды основанные на переходе Шоттки и называемые диодами Шоттки. Условное графическое изображение диода Шоттки на принципиальной электрической схеме показано на рисунке 52.

Выпрямляющий переход таких диодов представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного испарения. Диоды Шоттки обладают емкостью не превышающей 0,01 пф, что обеспечивает время их переключения (доли наносекунды) и предельную частоту работы (десятки гигагерц). Они способны пропускать токи в десятки ампер при обратных напряжениях до 500 V. Благодаря меньшему прямому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у диодов PN-типа) они обеспечивают более высокий КПД.

1.4.8 Туннельные диоды

Туннельным называется полупроводниковый диод, работа которого основана на использовании туннельного механизма переноса заряда через р-n переход (туннельный эффект). Условное графическое обозначение туннельного диода на принципиагьных электрических схемах показано на рисунке 53.

Для получения туннельного эффекта используются полупроводники с очень большой концентрацией примесей (до 10²¹ примесных атомов в 1 см³, против обычной 10¹⁵). Полупроводники с такой концентрацией примесей называют вырожденными, т.к. по своим свойствам они очень близки к свойствам металлов. Свойства туннельного диода определяются формой его ВАХ изображенной на рисунке 54.

Участок АВ которой является участком с отрицательным сопротивлением, т.к. на нем при положительном изменении напряжения имеет место отрицательное изменение тока , и тогда (рис. 22). Отрицательное сопротивление служит удобным математическим символом, а не реальной физической величиной, и означает что на некотором участке ВАХ прибора, увеличение напряжения уменьшает ток и наоборот.

Параметры туннельного диода:

• Ток впадины I_В – прямой ток в точке минимума ВАХ.

• Напряжение пика U_П – прямое напряжение соответствующее I_П.

• Пиковый ток I_П – прямой ток в точке максимума ВАХ.

• Напряжение впадины U_В – прямое напряжение соответствующее I_В.

• Напряжение раствора U_РР – прямое напряжение на второй восходящей ветви при токе, равном пиковому (рис. 54).