Устройство полупроводниковых диодов

В зависимости от струк­туры различают точечные и плоскост­ные диоды. У точечных диодов линей­ные размеры, определяющие площадь n–р-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно боль­ше толщины перехода.

Точечные диоды имеют малую ем­кость n –р-перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на лю­бых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади пере­хода обладают емкостью в десятки пикофарад. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер.

Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупро­водника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме пра­вильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и крем­ний, а в последнее время также арсенид галлия (GaAs) и другие соединения.

Принцип устройства точечного дио­да показан на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Принцип устройства точечного диода

Тонкая за­остренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке по­лупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундиру­ют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода.

Таким образом, около иглы образуется миниатюрный n-р-переход полусферической формы.

Германиевые точечные диоды обыч­но изготовляются из германия n-типа со сравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная об­ласть германия р-типа работает в ка­честве эмиттера. Для изготовления кремниевых точечных диодов исполь­зуются кремний n-типа и игла, покры­тая алюминием, который служит акцеп­тором для кремния.

Плоскостные диоды изготовляются главным образом методами сплавления (вплавления) или диффузии (рисунок 2.6). В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 °С каплю индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнитель­но высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной плас­тинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа.

Комбинированием методов элекрохимического осаждения и сплавления изготавливаются микросплавные диоды.

Рисунок 2.6 – Принцип устройства плоскостных германиевых диодов,

изготовленных сплавным (а) и диффузионным (б) методом

Диффузионный метод изготовления n–р-перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник.

Примесное вещество при этом обычно находится в газооб­разном состоянии. Для того чтобы диф­фузия была интенсивной, основной полу­проводник нагревают до более высокой температуры, чем при методе сплавления. Например, пластинку германия n-типа нагревают до 900 °С и помещают в пары индия. Тогда на поверхности пластинки образуется слой германия р-типа. Изменяя длительность диффу­зии, можно довольно точно получать слой нужной толщины. После охлажде­ния его удаляют путем травления со всех частей пластинки, кроме одной гра­ни. Диффузионный слой играет роль эмиттера. От него и от основной пластинки делают выводы. При диффу­зионном методе атомы примеси прони­кают на относительно большую глуби­ну в основной полупроводник, и по­этому n–р-переход получается плавным, т. е. в нем толщина области изменения концентрации примеси сравнима с тол­щиной области объемных зарядов.

Современные полупроводниковые кремниевые диоды создаются по планарной и планарно – эпитаксиальной технологии. Название «планарный» дано от английского слова Planar – плоский. Основу планарной технологии составляет метод фотолитографии.

Последовательность операций планарной технологиипредставлена на рисунке 2.7.

На исходной полупроводниковой пластине кремния n-типа получают плёнку окисла SiO₂ методом оксидного маскирования, которую затем покрывают слоем свёточувствительного вещества – фоторезиста (рисунок 2.7 а). После этого поверхность через специальную маску (фотошаблон) засвечивается ультрафиолетовым светом (рисунок 2.7 б). Затем слой фоторезиста проявляется с помощью специ­альных проявителей. При этом облученные участки фоторезиста задубливаются и переходят в нерастворимое состояние, а необлученные растворяются. Далее осуществляется травление пленки окисла, и получается "окно" для диффузии примесей.

а – окисление, нанесение фоторезиста; б - засвечивание; в – вскрытие окон; г – локальная диффузия

Рисунок 2.7- Последовательность операций планарной технологии

После этого специальным составом удаляют слой фо­торезиста (рисунок 2.7 в). Через образовавшееся с помощью фотолитографии "окно" проводят локальную диффузию примесей в исходную пластинку кремния и получают p-n-переход (рисунок 2.7 г). После этого через маску наносят металлические слои, к которым присоединяют выводы.

Для создания планарно-эпитаксиальных диодов дополнительно используется метод эпитаксии. Т.е. на исходной полупроводниковой низкоомной пластине кремния, например n⁺-типа выращивается высокоомный слой n, сохраняющий структуру пластины, но имеющий иную удельную проводимость. Затем планарным методом создаётся область р-типа.

На рисунке 2.8 показан принцип устройства планарно-эпитаксиального диода.

Планарно-эпитаксиальные диоды позволяют увеличить пробивное напряжение и получить при этом небольшую ёмкость p-n перехода.

В технике высоких частот часто используется диод Шотки, полученный на основе контакта металл-полупроводник. Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная плёнка с электропроводностью того же типа. На поверхность плёнки вакуумным напылением нанесён слой металла (рисунок 2.9).

При работе диода в импульсном режиме, когда длительности импульсов небольшие, часто применяются так называемые мезадиоды (от латинского слова «меза» – стол).

Рисунок 2.8 – Принцип устройства планарно-эпитаксиального диода

Сначала на пластине основного полупроводника диффузионным методом создаётся слой с другим типом электропроводности. Далее эта пластинка покрывается специальной маской и подвергается травлению. Маска защищает от травления много небольших участков.

Именно в этих защищённых областях остаются n-p-переходы малого размера, которые возвышаются над поверхностью пластинки в виде «столиков» (рисунок 2.10).