Электроника полупроводников

ВИДЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

ДИОДЫ С РЕЗКИМ ВОССАНОВЛЕНИЕМ ОБРАТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ДИОДЫ ШОТТКИ

ШУМОВЫЕ ДИОДЫ

ОБРАЩЕННЫЕ ДИОДЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя электрическими выводами (контактами).


В качестве выпрямляющего электрического перехода (Пвып) в полупроводниковых диодах может быть использован p-n - переход (анизотипный гомо- или гетеропереход) или выпрямляющий переход металл – полупроводник (переход Шоттки). В диоде с p-n переходом или с гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два невыпрямляющих (омических) перехода металл – полупролводник (Пом), через которые p- и n-области диода соединены с электрическими выводами М (рис.1,а). В диоде с переходом Шоттки имется один омический переход (рис.1,б).

  Обычно p-n - переход создают на основе монокристалла кремния или германия (Si и Ge – элементы IV группы), внедряя акцепторные (элементы III группы: индий, галлий, алюминий, бор) и донорные (элементы V группы: сурьма, фосфор, мышьяк) примеси. Если концентрации акцепторных Na и донорных Nd примесей равны, то p-n - переход называется симметричным. Для изготовления полупроводниковых диодов, как правило, используют несимметричные p-n - переходы. В них имеется низкоомная область эмиттера с большой концентрацией атомов примеси N = 1017¸1019 см-3 и высокоомная область базы с низкой концентрацией атомов примеси N = 1014¸1015 см-3. На рисунках эмиттерные области часто обозначают значками: p+ _ эмиттер дырок и n+ – эмиттер электронов. Так, на рис. 1, а представлен несимметричный p-n - переход с эмиттером электронов. Ток через несимметричный p-n - переход создается одним типом носителей. Вклад второго типа носителей в общий ток является несущественным.

 Концентрация примесей на границе полупроводников p и n - типов может изменяться скачкообразно или плавно, соответственно такие типы p-n переходов будут называться резкими и плавными.

 В зависимости от соотношения линейных размеров p-n - перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая из двух величин: средняя длина диффузии неосновных носителей в базе или толщина базы. У плоскостного диода линейные размеры, значительно больше, а у точечного меньше характеристической длины.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПЛОСКОСТНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ

 Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница частот – так называемая предельная частота выпрямительных диодов, как правило, не превышает 20 кГц.

Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры:

максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.max – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без нарушения его работоспособности (обычно Uобр.max = 0,5 – 0,8Uпроб, где Uпроб – напряжение пробоя);

максимально допустимый постоянный прямой ток Iпр.max;

постоянное прямое напряжение Uпр при заданном прямом токе Iпр = Iпр.max;

максимальный обратный ток Iобр.max – обратный ток диода при приложении к нему напряжения Uобр.max;

частота без снижения режимов – верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.

 По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы: диоды малой мощности (<0,3 А), диоды средней мощности (0,3 А ¸ 10 А) и мощные (силовые) диоды (>10 А).

 Иногда в паспорте диода указывают средний выпрямленный ток Iпр.ср, средний обратный ток Iобр.ср, а также импульсный прямой ток Iпр.и или его максимально допустимое значение.

 В состав параметров диодов входят диапазон температуры окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от –60 до +125 ºС) и максимальная температура корпуса.

Необходимую площадь p-n-перехода рассчитывают исходя из величины допустимого прямого тока диода, учитывая максимальную величину плотности прямого тока J (табл.1).

Табл. 1.

Основные параметры выпрямительных диодов изготовленных из различных материалов

 

Ge

Si

GaAs

J, А/см2

100

200

100

Uпр, В

~0.3

~0.7

1÷3

Uобр.max, В

до сотен В

до единиц кВ

до сотен В

Iобр.max, мА

~0.2

~0.01

~0.01

t°,С

до +75

–60÷

до +250

 

  Подавляющее большинство кремниевых выпрямительных диодов имеет плоскостную р+–n–n+ структуру (рис.2, а). Они изготавливаются на основе низколегированного (высокоомного) кристалла кремния с электропроводностью n-типа. Пробой плоскостных диодов обычно происходит по поверхности, на которой много дефектов и примесей. В высоковольтных выпрямительных диодах для увеличения Uобр.max производят неравномерное легирование эмиттера и снимают фаску (рис.2, б). При этом толщина p-n-перехода вблизи поверхности увеличивается, а концентрация примесей и дефектов на поверхности уменьшается, что увеличивает напряжение пробоя. Для работы при повышенных температурах используют выпрямительные диоды на основе GaAs. При работе с напряжениями питания ~1.5 В используют Ge выпрямительные диоды с малым прямым падением напряжения.

  Существуют высокочастотные выпрямительные диоды, работающие на частотах порядка единиц мегагерц.

ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ


Импульсный полупроводниковый диод имеет малую длительность переходных процессов и предназначен для применения в импульсных режимах работы. Основные назначения импульсных диодов – работа в качестве коммутирующего элемента или для детектирования высокочастотных сигналов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам. Поэтому свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами. При переключении диода с прямого напряжения на обратное в начальный момент времени через диод идет большой обратный ток, ограниченный в основном сопротивлением базы рис.3,а. С течением времени накопленные в базе неосновные носители заряда рекомбинируют или уходят из базы через p-n-переход, после чего обратный ток уменьшается до своего стационарного значения.

  Одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления обратного сопротивления tвос (рис.3). По этому параметру импульсные диоды разделены на шесть групп: более 500 нс, 150÷500, 30÷150, 5÷30, 1÷5 и менее 1 нс.

 При пропускании через диод импульса тока (рис.3, б) в прямом направлении наблюдается выброс напряжения. Это вызвано повышенным падением напряжения, пока не окончится процесс накопления неосновных носителей в базе и не уменьшится сопротивление базы. Это происходит за время установления прямого напряжения диода tуст.

 Значения tвос и tуст зависят от структуры диода, времени жизни неосновных носителей в базе, величины накопленного в базе заряда и величины обратного напряжения.


Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода рис.4. В нем p-n-переход образуется путем вплавления иголки индия в кристалл Si n-типа. Полученный p-n-переход имеет полусферическую форму с радиусом а.

Время переходного процесса определяется временем перезаряда емкости p-n-перехода Спер=Сбар+Сдиф через сопротивление базы rб 

Τ = Спер∙rб.

Барьерная емкость точечного p-n-перехода Сбар ~ а2 мала в связи с малой площадью перехода. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, которое определяется сопротивлением растекания. Для его расчета определим сопротивление полусферического слоя полупроводника толщиной R на расстоянии dR от центра сферы

.

Если считать удельное сопротивление полупроводника ρ постоянным, то полное сопротивление кристалла полупроводника толщиной b под точечным p-n-переходом

.

  В точечных диодах а=5÷20 мкм, а b~200 мкм, поэтому

.

  Современные импульсные диоды производятся по планарной технологии с использованием кремниевых или арсенид-галлиевых кристаллов. Для ускорения переходных процессов в базе диода создают встроенное электрическое поле за счет неравномерного легирования и вводят примеси меди или золота, уменьшающие время жизни неосновных носителей. Для уменьшения барьерной емкости уменьшают размеры импульсного диода.

На главную