Полупроводниковые диоды

На основеиспользования свойств р-n-перехода в настоящеевремя создано множество различных типов полупроводниковыхдиодов. Выпрямительные диодыпредназначены для преобразования пе-ременного тока в постоянный.Их основные параметры I а max - б м л ап в V а amp ап п а ап б й в I а - в з а а а в б й ап V а max - б - м а в ап f- он частот,в которомвыпрямленный ток не снижается меньше заданного уровня.По величине выпрямленного тока выпрямительные диодымалой I а lt 0,3 , ба 0,3 A lt I а gt 10 ми I а gt 10A й бв . п б п л ап в м ле а - повбп б бв л p-n- а е л, гз л б ддг . лб з п I а б з овбп б м - p-n- а е б ми й мо. ми з п V а max бв овбп б м -честве базы диода материала с высоким удельным сопротивле-нием.Наибольшие значения V а max гв лвм гз л а б м p-i-n- ,в и а бв к ап- ми п, б в м , ми з ап а п. б в а вгал V а max п вбп, в з вбп п а в а -вгал лз в го . а ми е I а , б бв п ап п , л п вбп в . нв г л ап в мные диоды отличают-ся от остальных типов диодов большими размерами корпуса ивнешних выводов для улучшения теплоотвода.

Выпрямительные диодыизготавливают в настоящее время в ос-новном из кремния и германия.Кремниевые диоды позволяют по-лучать высокие обратные напряжения пробоя, так как удельноесопротивление собственного кремния p 10 Ом см многобольше удельного сопротивления собственного германия p 50 Омсм .Кроме этого, кремниевые диоды оказываются работоспособ-ными в большем интервале температур -60 125С ,посколькуширина запрещенной зоны в кремнии 1,12эВ больше, чем в гер-мании 0,72эВ , а следовательно, обратный ток меньше 1,46 . Германиевые диодыработоспособны в меньшем интервале темпе-ратур -60 85C ,однако их выгоднее применять при выпрямле-нии низких напряжений, так как V а п а ле 0,3 0,8 B ми , з п а ле 1,2 . в м , ми г в й бвм, а бб п гва а . Полупроводниковыедиоды, на вольт-амперной характеристи-ке которых имеется участок со слабой зависимостью напряже-ния от тока,называются стабилитронами.Таким участком являет-ся участок 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,а следовательно, вероятность теплового пробоя в нихменьше и напряжение на участке пробоя лавинного или тун-нельного почти не изменяется с изменением тока. Основные параметрыстабилитронов V бв - ап бв -ж Iбв min- м л в ,б в а з вбп бв -ж п ап п R dV dI- дд а ж м б а в а з в з R бв в V I-бв в з б б а в а -з в з Q R R бв в - ндд ж в з бв 1 V бв dV бв dT -в а вга л ндд ж в ап пбв ж . в ва л в овбп б а з л з п Vбв, т 3 до 200 В. Для диодов сV бв gt 7 и а p-n- а е бв в з е а п л . а бв в - а вгал а в л в г з вбп, в - г з - вбп ап а п. в гб в ,зв в - а бб п г з вбп, б а б -в г ми вбп p-n- а е г ва г вбп а вм ми ап , зв л б в ап ми гв а б а а в з б го н а- о, бв в з ую для ионизации.

В диодах сV бв lt 7 и а p-n- а е ап г б - л е бв г в вг м л . бваг в бв ва л в овбп л ап- в м л , е б м вм бв . г мб л л г мб л л овбп л, в ал гв а в вм б а а оз п 1 б ми . лб з бв в л - л ап в м л л, а з л па вл з бв -в е 150 ж ли . ми п е а в а стики p-n-перехода на высокихчастотах оказывает зарядная емкость.

Ее влияние проявляетсяв шунтировании p-n-перехода на высоких частотах и ухудшениивыпрямляющих свойств.

В импульсных диодах наличие заряднойемкости приводит к искажению формы импульса.

Поэтому им-пульсные и высокочастотные диоды характеризуются как малымзначением диффузионной емкости так и малым значением заряд-ной емкости.

Малое значение зарядной емкости достигаетсяуменьшением площади p-n-перехода.

Поэтому основная конструк-тивная задача заключается в уменьшении площади p-n-перехода. Для изготовления импульсных и высокочастотных диодовиспользуют германий и кремний. Преимуществом диодов из гер-мания является малое значение падения напряжения на диодепри прямом смещении, что существенно при работе диодов прималых сигналах.Представляет интерессоздание импульсных и высокочастот-ных диодов на основе гетеропереходов с одним типом проводи-мости, например, n1-n2. Если работа выходаэлектроновиз широкозонного полупроводникаменьше, чем из узкозонного, тоэнергетическая диаграмма n1-n2-гетероперехода может быть пред-ставлена в виде Рис. 1 Рис.1При подаче напряжения на гетеропереход, например положи-тельного на n2, а отрицательного на n1-полупроводник, элек-троны из n1-полупроводника смогут переходить в n2-полупро-водник.

Через гетеропереход протекает ток, и такую поляр-ность внешнего напряжения можно назвать прямой.

При обратном смещенииэлектроны из n2-полупроводника бу-дут скатываться в потенциальную яму перед переходом, пройтикоторый они не могут, так как перед ними находится потен-циальный барьер. Обратный ток может образоваться только засчет туннельного перехода электронов из n2-полупроводникачерез потенциальный барьер и за счет перехода дырок из n1- вn2-полупроводник.Для его уменьшения первый полупроводникдолжен быть достаточно сильно легирован, чтобы концентрациянеосновных носителей была мала, а ширина перехода должнабыть достаточно большой, чтобы электроны из n2-полупроводни-ка не смогли туннелировать через потенциальный барьер. л вв п б п вв б м г вбп в в в г а . л вв в з овбп в , зв еа в б- а б б ле б в . а ап б й н ва л г а а е пв в . е н а п ми н а н ва в . ва л г -роводника быстро примерно за 10 с теряют на соударенияхсвою избыточную энергию и не могут возвратиться в полупро-водник.

В диодах Шоттки не происходит накопления заряданеосновных носителей обуславливающее снижение быстродей-ствия p-n-перехода , поэтому они особенно перспективны дляиспользования в качестве сверхбыстродействующих импульсных ивысокочастотных диодов.

Типичное время восстановления обрат-ного сопротивления диода Шоттки на основе, например Au-Si,порядка 10 пс и менее. в л б вм а в б й , в б м - вмбп з бв д в а , в в а б в в б- й п. а бв в з ми е а в ле ап пе мв- а п е а в а бв а б.2 и вбп в I - I б I д - I б - qc B S в в б в в ап п, а - п вбп в м в б - бвмо б в . б. 2 п г з ячувствительности фотодиода может использо-ваться эффект лавинного умножения носителей в области объем-ного заряда p-n-перехода.

К недостаткам лавинного фотодиодаследует отнести, во-первых зависимость в в б бв б в , - в але, бв ва п бв м бв в о-й ап п 0,01 0,2 , в - нд ж в г - п б м б в в ап п. аж л б бв д в е а в а вм а - м а з з бв в з бв в г пж б ва, на кото-рой амплитуда фотоответа уменьшается до 0,7 отмаксимальной , постоянной времени фотоответа определяемойпо времени наростания импульса фотоответа до 0,63 до макси-мального, при прямоугольном импульсе света , сдвигом фазмежду входным световым и выходным электрическим сигналом.

В общем случае,инерционность фотодиодов определяется тре-мя основными параметрами временем диффузии неравновесныхносителей через базу временем их полета через областьобъемного заряда p-n-перехода RC-постоянной . Времядиффузии носителей через базу определено как W 2 D p а п в б в з а бвм бвм к ап- и а d ж вм d V max, V max - -б м п б а бвм п б в н ва з б , в а п а ми е пе б в в ап бв н -ва з б п б бв г ми п бв б ле пе. лб лбва бв обладают фотодиоды на основебарьера Шоттки.

В типичной структуре такого диода через тон-кую полупрозрачную пленку металла и поглощается в основном вобласти объемного заряда полупроводника.Следовательно, ин-нерционность обуславливается тольковременами i rc . з гб вбп г бвмо к ап , ми з гз вбп бз в в ,зв г м б а в в ми ,з г -а , б в вбв мше. Основными переносчи-ками тока через контакт в этом случае являются дырки полуп-роводника, которые практически мгновенно рекомбинируют сэлектронами в металле. в л а в з б е а в а бв гз ой е б в - п п вбп в п ндд в бвм, в а п а - п вбп в и з б гз ле д в з б- г н ва , а е пй е з а p-n- а е . впнв -з в а в з б в бв вм 100 , а в з б -ап 0,1 1 . Это объясняется большой долей безизлуча-тельных переходов в общем рекомбинационном процессе и малос-тью доли фотонов, выходящих из светодиода.

С понижением тем-пературы вероятность излучательной рекомбинации растет иквантовая эффективность увеличивается. Отличительнымиособенностями светодиодов по сравнению собычными источниками света являются малые размеры, малые ра-бочие напряжения, высокое быстродействие 10 c ми ба б г л. в л е пв и а применениедля схемавтоматики, световых табло, оптронов. г м л л г м л п п вбп б мв- а е а в а бв N-в , а в в а б вг м а е б в ап з а в ж м л ам а p-n- а е . бв , а пв бвм вг м а е пз бв ж з -а в ж м л ам а а бв в б г ми и а л. нв г п б п вг м ле б м гов p-n- а -е л б г бвмо кс ап . аг ва ием кматериалу туннельного для диода является необходимость вы-рождения p- и n- областей.

Полупроводники становяться вырож-денными при сильном легировании.

Уровень Ферми в этом слу-чае расположен в разрешенной зоне. С повышением концентра-ции примесей уменьшается и ширина области объемного зарядаp-n-перехода при N a N d 10 б ,d 10 б . а ,б м л а бв p-n- а е бв вбп л-а p- n- г а з и а лp-n-перехода. Эквивалентная схема Rвг м в ЪДД ДД лвм а бв тДДДД C ГД Дт б. 3 . АДД ДДД Щ r L б. 3 б бв в дд а ж м б а в п p-n- а е - R , ап с бв C , б а в п в ам r, г в - бв л L. бвм а гб вг м гз бвм схеме внешней цепи, поэтому мы е для простотыопустим.

Перенос тока в туннельном диоде приV lt V бв бгй б-в п вбп б л б в п , б л , лз- ле е. а бвм а б а бва п а ж бб а - п вбп а а б ж . в а п ап 10 10 б а з в з бв в л б бв а а . нв г н в бе вбгвбв г в ддг пс бвм p-n- а е , б бв м л н вл а в з б бпв вз бв вл. На основанииэквивалентной схемы нетрудно записать выраже-ние для полного сопротивления туннельного диода, а из негоопределить предельную и собственную резонансную частоту.

Туннельные диоды,благодаря их высокочастотным свойствам,применяються в схемах высокочастотного переключения, атак-же для усиления и генерирования колебаний на сверхвысо-ких частотах. Схема переключения подобна аналогичной схемена S-диоде.Для того чтобы нагрузочная прямая пересекалавольт-амперную характеристику в трех точках, сопротивлениенагрузки должно быть больше дифференциального сопротивлениядиода на участке отрицательного сопротивления.

Вследствии большейширины запрещ нной зоны арсенида гал-лия напряжение срыва в диодах из него 1 B ли , з е а п 0,4 B . нв г л аб - п а зв в м п б м п а оз ой е гб-ва бв е б бв п бз в в е а в -а е. а п а й п гб ет и большую ихтермостабильность. Германиевые туннельные диоды имеютменьший уровень собственных шумов, что важно для использова-ния в схемах усилителей. н м ц ь lt .FRM .MAC я.