Полупроводниковые диоды. Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры

Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.

Рис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р-n-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р-n-переход. Кремниевый р-n-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р-n-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус.

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (I_{пр. ср} < 0,3 А), средней (0,3 А < I_{пр. ср} < 10 А) и большой (I_пp.ср > 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р-n-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а,а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б.

Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь р-n-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости С_д между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (f_макс £ 300 МГц) и СВЧ (f_макс ≥ 300 МГц). Помимо статической емкости С_д точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.

Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: С_д и t_восст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения.

Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение U_{обр. пр,}то происходит лавинный пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения I_{ст. макс}, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя р-n-перехода.

К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации
U_ст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации I_{ст. ном} (см. рис. 1.8, а). Помимо I_{ст. ном} указываются также минимальное I_{ст. мин} и максимальное I_{ст. макс} значения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения U_{обр. пр,} зависящего, в свою очередь, от ширины р-n-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения u_вх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение u_вых остается практически неизменным.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р-n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р-n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p-n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость С_ном, определяемая при номинальном напряжений смещения (U_ном = 4 В), максимальная С_макс и минимальная С_мин емкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости К_с = С_макс/С_мин), добротность Q, а также U_{обр.макс}.

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p-n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р-n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n- и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р-n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области р-n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р-n-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны – в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, определяемые равенствами (1.8), (1.9), возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком I_ф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой, в соответствии с выражением (1.10), тепловой ток I_o, обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n-типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Е_ф. Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях.

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р-n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Е_е в энергетическое состояние уровня Е_у с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A£ = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения.

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (I_{пр.макс} = 1 мА – постоянный прямой ток, U_{обр.макс} = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.12 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8...1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.