Читайте данную работу прямо на сайте или скачайте

Полупроводниковые диоды

На основе использования свойств р-n-переход ва настоящее

время создано множество различныха типова полупроводниковых

диодов.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования пе-

ременного тока в постоянный.Их основные параметры:а Iпра max

-максимальный прямой ток; Vпр^^&-- падение напряжения н диоде

при прямом смещении и заданном токе;Iобр -ток через диод при

обратном смещении и заданном напряжении;Vобра maxа -а макси-

мальное обратное напряжение;а f-диапазона частот,ва котором

выпрямленный ток не снижается меньше заданного ровня.

По величине выпрямленного ток выпрямительные диоды

малой(Iпр < 0,А),средней (0,3 A <Iпр >10 А) и большой (Iпр

>10A) мощности. Для создания выпрямительныха диодова приме-

няются плоскостныеа p-n-переходы,полученныеа сплавлениема и

диффузией.Высокие значения Iпра обеспечиваются использова-

нием p-n-переходов с большой площадью.

Большие значения Vобр max достигаются использованием ва ка-

честве базы диода материала с высокима дельныма сопротивле-

нием.Наибольшие значения Vобр max могута быть получены при

использовании p-i-n-диода,так ширина области объемного заря-

да в нем наибольшая, следовательно,наибольшее и значение

напряжение пробоя.Так как с изменением температуры Vобра max

изменяется, то его значение дается для определенной темпера-

туры (обычно комнатную).

При больших Iпр в диоде, вследствие падения напряжения на

нем, выделяется тепло.Поэтому выпрямительные диоды отличают-

ся от остальных типов диодов большими размерами корпус и

внешних выводов для лучшения теплоотвода.

Выпрямительные диоды изготавливают в настоящее время в ос-

новном из кремния и германия.Кремниевые диоды позволяюта по-

лучать высокие обратные напряжения пробоя, так кака удельное

сопротивление собственного кремния (pа 10а Ома см)а много

больше дельного сопротивления собственного германия(p 50 Ом

см).Кроме этого, кремниевые диоды оказываются работоспособ-

ными в большем интервале температура (-60...+12С),поскольку

ширина запрещенной зоны в кремнии(1,12эВ)больше, чем ва гер-

мании(0,72эВ), а следовательно, обратный ток меньше(1,46).

Германиевые диоды работоспособны в меньшем интервале темпе-

ратур(-60...+85C),однако их выгоднее применять при выпрямле-

нии низкиха напряжений, така кака Vпр для германиевых

диодов(0,3...0,8а Bа ) меньшеа, чем для кремниевых(до

1,В).Следовательно, меньше будет и мощность, рассеиваемая

внутри германиевого диода.

Полупроводниковые диоды, на вольт-амперной характеристи-

ке которых имеется часток со слабойа зависимостью напряже-

ния от тока,называются стабилитронами.Таким частком являет-

ся часток пробоя p-n-перехода.Для изготовления стабилитро-

нов используют кремний, так как обратный ток кремниевых дио-

дов, по сравнению с германиевыми, меньше зависят от темпера-

туры, следовательно, вероятность теплового пробоя ва них

меньше и напряжение н частке пробоя (лавинного или тун-

нельного)почти не изменяется с изменением тока.

Основные параметры стабилитронов:Vст-напряжение стабилиза-

ции;Iст min-минимальный ток,с которого начинается стабилиза-

ция напряжения;Rд=dV/dI-дифференциальное сопротивлениеа (в

рабочей точке);Rстат=V/I-статическое сопротивление (ва рабо-

чей точке); Q=Rд/Rстат-коэффициент качества;

ТНК=(1/Vст)(dVст/dT)-температурный коэффициент напряжения

стабилизации.

Стабилитроны изготавливаются са различными значениями

Vст,от 3 до 200 В.

Для диодов с Vст>Ва ширин p-n-перехода

достаточно велика и механизм пробоя лавинный. С ростома тем-

пературы обратный ток диода величивается, так-же величи-

вается и напряжение пробоя. Это обусловлено тем, что тепло-

вое рассеяние увеличивается, длина свободного пробег носи-

телей меньшается и к p-n-переходуа требуется приложить

большее напряжение, чтобы носители заряд н большема пути

(равном длине свободного пробега) набрали кинетическую энер-

гию, достаточную для ионизации.

В диодах с Vст<В ширина p-n-перехода мала и наряду са ла-

винным механизмом действует и туннельный.

Конструктивно стабилитроны изготавливаются подобно выпря-

мительным диодам, и их можно использовать вместо диодов.

[1]Импульсные Диоды

Импульсными называются диоды, которыеа могута работать с

временами переключения 1 мкс и меньше. Высокочастотными -

выпрямительные диоды, предназначенные для работы н часто-

тах до 150 Гц и выше.

Большое влияние на характеристики p-n-перехода н высоких

частотах оказывает зарядная емкость. Ее влияниеа проявляется

в шунтировании p-n-перехода на высоких частотах иа ухудшении

выпрямляющих свойств. В импульсных диодаха наличие зарядной

емкости приводит к искажению формы импульса. Поэтому им-

пульсные и высокочастотные диоды характеризуются кака малым

значением диффузионной емкости так и малым значениема заряд-

ной емкости. Малое значение заряднойа емкости достигается

уменьшением площади p-n-перехода. Поэтому основная конструк-

тивная задача заключается в меньшении площади p-n-перехода.

Для изготовления импульсныха иа высокочастотных диодов

используют германий и кремний. Преимуществом диодов иза гер-

мания является малое значение падения напряжения на адиоде

при прямом смещении, что существенно при работеа диодова при

малых сигналах.

Представляет интерес создание импульсныха иа высокочастот-

ных диодов на основе гетеропереходов с одним типома проводи-

мости, например, n1-n2.

Если работа выхода электронов

из широкозонного полупроводника

меньше, чем иза зкозонного, то

энергетическая диаграмма n1-n2-

гетероперехода может быть пред-

ставлена в виде (Рис. 1)

Рис. 1

При подаче напряжения н гетеропереход, напримера положи-

тельного на n2, а отрицательного на n1-полупроводник, элек-

троны из n1-полупроводника смогут переходить ва n2-полупро-

водник. Через гетеропереход протекает ток, и такуюа поляр-

ность внешнего напряжения можно назвать прямой.

При обратном смещении электроны иза n2-полупроводник бу-

дут скатываться в потенциальную яму перед переходом, пройти

который они не могут, так как переда ними находится потен-

циальный барьер. Обратный ток может образоваться атолько за

счет туннельного переход электронова иза n2-полупроводника

через потенциальный барьер и за счет перехода дырок из n1- в

n2-полупроводник. Для его меньшения первыйа полупроводник

должен быть достаточно сильно легирован, чтобы концентрация

неосновных носителей была мала, ширин переход должна

быть достаточно большой, чтобы электроны из n2-полупроводни-

ка не смогли туннелировать через потенциальный барьер.

[1]Диоды Шоттки

Для создания диодов Шоттки используется контакта метал-по-

лупроводник. Диоды Шоттки отличаются тем, что их работ ос-

нована на переносе основных носителей. Приа прямома смещении

электроны из полупроводника переходят в металл. Иха энергия

на больше энергии электронов в металле. Электроны иза полуп-

роводника быстро (примерно за 10 с)а теряюта н соударениях

свою избыточную энергию и не могут возвратиться ва полупро-

водник. В диодаха Шоттки неа происходита накопления заряда

неосновных носителей (обуславливающее снижениеа быстродей-

ствия p-n-перехода), поэтому они особенно перспективны для

использования в качестве сверхбыстродействующих импульсных и

высокочастотных диодов. Типичное время восстановления обрат-

ного сопротивления диода Шоттки на основе, напримера Au-Si,

порядка 10 пс и менее.

[1]Фотодиоды

Если подать на диод обратное смещение, он можета использо-

ваться в качестве фотоприемника, ток которого зависит от ос-

вещения. При достаточно больших обратных напряжениях

вольт-амперная характеристика (рис. 2) запишется так:

аI=-( Iнас+ Iф)=- Iнас- qcB SФ

т.е. ток не зависита от

напряжения, опреде-

ляется только интенсив-

ностью света.

Рис. 2

Для величения чувствительности фотодиода можета использо-

ваться эффект лавинного множения носителей в области объем-

ного заряда p-n-перехода. К недостаткам лавинного фотодиода

следует отнести, во-первых зависимость Ма ота интенсивности

света и, во-вторых, жесткие требования к стабильности питаю-

щего напряжения (0,01... 0,2 %), так-как коэфициента умноже-

ния М сильно зависит от напряжения.

Инерционные свойства фотодиодов можно характеризовать пре-

дельной рабочей частотой (частота модуляции света, н кото-

рой амплитуд фотоответ меньшается до 0,7 от

максимальной), постоянной времени фотоответ (определяемой

по времени наростания импульса фотоответа до 0,63 до макси-

мального, при прямоугольнома импульсе света), сдвигом афаз

между входным (световым) и выходным (электрическим) сигналом.

В общем случае, инерционность фотодиодов определяется тре-

мя основными параметрами:а временема диффузииа неравновесных

носителей через базу ; временема иха полета через область

объемного заряда p-n-переход ; RC-постоянной. Время

диффузии носителей через базу определено как:

=Wа а/2 Dp

Время полета носителей через область область объемного заря-

да (шириной аd)а можно оценить как = d/Vmax, где Vmax - мак-

симальная скорость движения носителей в электрическома поле,

которая при больших полях не зависит от напряженностиа элек-

трического поля вследствии меньшения подвижности ва силовых

полях.

Высокима быстродействиема обладаюта фотодиоды н основе

барьера Шоттки. В типичной структуре такого диода через тон-

кую полупрозрачную пленку металла и поглощается в основном в

области объемного заряда полупроводника. Следовательно, ин-

нерционность обуславливается только временами  iа и rc.

Малое значение обуславливается зкой областью объемного

заряда, небольшое значение получается за счета того,

что дельное сопротивление металла много меньше, чема полуп-

роводника, и соответственно меньше. Основными переносчи-

ками тока через контакт в этом случае являются дыркиа полуп-

роводника, которые практически мгновенно рекомбинируюта с

электронами в металле.

[1]Светодиоды

Энергетической характеристикой излучающиха диодова (свето-

диодов) является квантовая эффективность, которая опреде-

ляется как отношение числа излучаемых во вне фотонов к чис-

лу электронов, проходящих через p-n-переход. Хотя эт вели-

чина теоретически может достигать 100%, практически он по-

рядка 0,1...1%. Это объясняется большойа долей безизлуча-

тельных переходов в общем рекомбинационном процессе и малос-

тью доли фотонов, выходящих из светодиода. С понижением тем-

пературы вероятность излучательной рекомбинацииа растета и

квантовая эффективность величивается.

Отличительными особенностями светодиодова по сравнению с

обычными источниками света являются малые размеры, малые ра-

бочие напряжения, высокое быстродействие (~10 c)а и большой

срок службы. Светодиоды находят широкое применение для схем

втоматики, световых табло, оптронов.

[1]Туннельные Диоды

Туннельный диод является с вольт-амперной характеристикой

N-типа, работа которого основана н туннельнома прохождении

носителей заряда череза потенциальный барьера p-n-перехода.

Как известно, вероятность туннельного прохождения частиц че-

рез потенциальный барьер растет са меньшениема его ширины.

Поэтому для создания туннельных диодов используюта p-n-пере-

ходы с зкой областью объёмного заряда. Другим требованием к

материалу туннельного для диода является необходимость вы-

рождения p- и n- областей. Полупроводники становяться вырож-

денными при сильном легировании. ровень Ферми ва этома слу-

чае расположен в разрешенной зоне. Са повышениема концентра-

ции примесей уменьшается и ширина областиа объемного заряда

p-n-перехода (при Na=Nd=10 сма,dа 10а см). Такима образом,

сильным легированием областей p-n-переход достигается вы-

рождение p- и n- полупроводникова и малоеа значение ширины

p-n-перехода.

Эквивалентная схем аR

туннельного диод может ┌──[1]──┐

быть представлена ва виде к────┤ аCа ├─[1]──


───к

(Рис. 3). └─────┘а аr аL

Рис. 3

Она состоит из дифференциального сопротивления p-n-перехо-

да аR, зарядной ёмкости аC, сопротивления потерь аr, индуктив-

ности выводова L. Емкость корпус туннельного диод можно

учесть в схеме внешней цепи, поэтому мы еёа для простоты

опустим. Перенос тока в туннельном диоде при V<Vоста осущес-

твляется основными носителями, не неосновными, как в обыч-

ныха диодах. Скорость распростронения процесс опреде-

ляется временем релаксации. Это время порядка 10а...

10 с и оно не ограничивает частотные свойства прибора.

Поэтому ва эквивалентной схеме отсутствует диффузионная

ёмкость p-n-перехода, все остальныеа элементы практически

не зависят от частоты.

На основании эквивалентной схемы нетрудно записать выраже-

ние для полного сопротивления туннельного диода, иза него

определить предельную и собственную резонансную частоту.

Туннельные диоды, благодаря их высокочастотныма свойствам,

применяються ва схемаха высокочастотного переключения, а

так-же для усиления и генерирования колебаний н сверхвысо-

ких частотах. Схема переключения подобн аналогичной схеме

на S-диоде. Для того чтобы нагрузочная прямая пересекала

вольт-амперную характеристику в треха точках, сопротивление

нагрузки должно быть больше дифференциального сопротивления

диода на частке отрицательного сопротивления.

Вследствии большей ширины запрещённой зоны арсенид гал-

лия напряжение срыва в диодах из него (~1 B)а выше, чема в

диодах из германия (~0,4 B). Поэтому диоды из арсенид гал-

лия предпочтительнее для использования ва переключающиха с-

тройствах (в особенности для счетной техники) и ва генерато-

рах. Широкая запрещенная зон обуславливаета иа большую их

термостабильность. Германиевыеа туннельные диоды имеют

меньший ровень собственных шумов, что важно для использова-

ния в схемах усилителей.

эьб=№[1]<*.FRM*.MAC

---

[1](

---

---

Б@