|
Полупроводниковые дидоды
На основе использования свойств
р-n-перехода в настоящее
время
создано множество различных типов
полупроводниковых
диодов.
Выпрямительные диоды предназначены для
преобразования пе-
ременного
тока в постоянный.Их основные параметры:
Iпр max
-максимальный
прямой ток; Vпр^^&-- падение напряжения на диоде
при
прямом смещении и заданном токе;Iобр -ток через диод при
обратном
смещении и заданном напряжении;Vобр
max - макси-
мальное
обратное напряжение; f-диапазон частот,в
котором
выпрямленный
ток не снижается меньше заданного уровня.
По
величине выпрямленного тока
выпрямительные диоды
малой(Iпр
< 0,3А),средней (0,3 A <Iпр >10 А) и большой (Iпр
>10A)
мощности. Для создания
выпрямительных диодов приме-
няются плоскостные
p-n-переходы,полученные
сплавлением и
диффузией.Высокие
значения Iпр обеспечиваются использова-
нием
p-n-переходов с большой площадью.
Большие значения Vобр max достигаются
использованием в ка-
честве
базы диода материала с высоким
удельным сопротивле-
нием.Наибольшие
значения Vобр max могут быть получены
при
использовании
p-i-n-диода,так ширина области объемного заря-
да в
нем наибольшая,а
следовательно,наибольшее и значение
напряжение
пробоя.Так как с изменением температуры Vобр 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 корпуса и
внешних
выводов для улучшения теплоотвода.
Выпрямительные диоды изготавливают в
настоящее время в ос-
новном
из кремния и германия.Кремниевые диоды позволяют по-
лучать
высокие обратные напряжения пробоя, так как
удельное
сопротивление
собственного кремния (p
10 Ом см) много
больше
удельного сопротивления собственного германия(p 50 Ом
см).Кроме
этого, кремниевые диоды оказываются
работоспособ-
ными в
большем интервале температур
(-60...+125С),поскольку
ширина
запрещенной зоны в кремнии(1,12эВ)больше, чем в 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 низких
напряжений, так как
Vпр для германиевых
диодов(0,3...0,8 B )
меньше , чем для кремниевых(до
1,2В).Следовательно,
меньше будет и мощность, рассеиваемая
внутри
германиевого диода.
Полупроводниковые диоды, 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
них
меньше
и напряжение на участке 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 сопротивление (в
рабочей
точке);Rстат=V/I-статическое сопротивление (в рабо-
чей точке); Q=Rд/Rстат-коэффициент качества;
ТНК=(1/Vст)(dVст/dT)-температурный коэффициент напряжения
стабилизации.
Стабилитроны изготавливаются с различными значениями
Vст,от
3 до 200 В.
Для диодов с Vст>7В ширина
p-n-перехода
достаточно
велика и механизм пробоя лавинный. С ростом
тем-
пературы
обратный ток диода увеличивается,
так-же увеличи-
вается
и напряжение пробоя. Это обусловлено тем, что
тепло-
вое
рассеяние увеличивается, длина свободного пробега носи-
телей уменьшается
и к p-n-переходу требуется приложить
большее
напряжение, чтобы носители заряда
на большем пути
(равном
длине свободного пробега) набрали кинетическую энер-
гию,
достаточную для ионизации.
В диодах с Vст<7В ширина p-n-перехода
мала и наряду с 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, которые
могут работать с
временами
переключения 1 мкс и меньше. Высокочастотными -
выпрямительные
диоды, предназначенные для работы
на часто-
тах до
150 МГц и выше.
Большое влияние на характеристики
p-n-перехода на высоких
частотах
оказывает зарядная емкость. Ее влияние
проявляется
в
шунтировании p-n-перехода на высоких частотах и ухудшении
выпрямляющих
свойств. В импульсных диодах
наличие зарядной
емкости
приводит к искажению формы импульса.
Поэтому им-
пульсные
и высокочастотные диоды характеризуются
как малым
значением
диффузионной емкости так и малым значением
заряд-
ной
емкости. Малое значение зарядной
емкости достигается
уменьшением
площади p-n-перехода. Поэтому основная конструк-
тивная
задача заключается в уменьшении площади p-n-перехода.
Для
изготовления импульсных и
высокочастотных диодов
используют
германий и кремний. Преимуществом диодов из
гер-
мания
является малое значение падения
напряжения на диоде
при
прямом смещении, что существенно при работе
диодов при
малых
сигналах.
Представляет интерес создание
импульсных и высокочастот-
ных
диодов на основе гетеропереходов с одним типом
проводи-
мости,
например, n1-n2.
Если работа выхода электронов
из
широкозонного полупроводника
меньше,
чем из узкозонного, то
энергетическая
диаграмма n1-n2-
гетероперехода
может быть пред-
ставлена
в виде (Рис. 1)
Рис. 1
При
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 смещении электроны из n2-полупроводника бу-
дут
скатываться в потенциальную яму перед переходом, пройти
который
они не могут, так как перед ними находится
потен-
циальный
барьер. Обратный ток может образоваться
только за
счет
туннельного перехода электронов из
n2-полупроводника
через
потенциальный барьер и за счет перехода дырок из n1- в
n2-полупроводник.
Для его уменьшения первый
полупроводник
должен
быть достаточно сильно легирован, чтобы
концентрация
неосновных
носителей была мала, а ширина
перехода должна
быть
достаточно большой, чтобы электроны из n2-полупроводни-
ка не
смогли туннелировать через потенциальный барьер.
[1]Диоды
Шоттки
Для создания диодов Шоттки используется
контакт метал-по-
лупроводник.
Диоды Шоттки отличаются тем, что их работа
ос-
нована
на переносе основных носителей. При
прямом смещении
электроны
из полупроводника переходят в металл.
Их энергия
на
больше энергии электронов в металле. Электроны из полуп-
роводника
быстро (примерно за 10 с) теряют на
соударениях
свою
избыточную энергию и не могут возвратиться
в полупро-
водник.
В диодах Шоттки не
происходит накопления заряда
неосновных
носителей (обуславливающее снижение
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,
например Au-Si,
порядка
10 пс и менее.
[1]Фотодиоды
Если подать на диод обратное смещение, он
может использо-
ваться
в качестве фотоприемника, ток которого зависит от ос-
вещения.
При достаточно больших
обратных напряжениях
вольт-амперная
характеристика (рис. 2) запишется так:
I=-( Iнас+ Iф)=- Iнас- qcB SФ
т.е.
ток не зависит от
напряжения, а
опреде-
ляется
только интенсив-
ностью
света.
Рис. 2
Для увеличения чувствительности фотодиода
может использо-
ваться
эффект лавинного умножения носителей в области объем-
ного
заряда p-n-перехода. К недостаткам лавинного
фотодиода
следует
отнести, во-первых зависимость М от интенсивности
света
и, во-вторых, жесткие требования к стабильности питаю-
щего
напряжения (0,01... 0,2 %), так-как коэфициент
умноже-
ния М сильно зависит от напряжения.
Инерционные свойства фотодиодов можно
характеризовать пре-
дельной
рабочей частотой (частота модуляции света, на
кото-
рой амплитуда
фотоответа уменьшается до
0,7 от
максимальной),
постоянной времени фотоответа (определяемой
по
времени наростания импульса фотоответа до 0,63 до макси-
мального,
при прямоугольном импульсе света),
сдвигом фаз
между
входным (световым) и выходным (электрическим) сигналом.
В общем случае, инерционность фотодиодов
определяется тре-
мя
основными параметрами: временем диффузии
неравновесных
носителей
через базу ; временем их
полета через область
объемного
заряда p-n-перехода ;
RC-постоянной . Время
диффузии
носителей через базу определено как:
=W /2 Dp
Время
полета носителей через область область объемного заря-
да
(шириной d) можно оценить как = d/Vmax,
где Vmax - мак-
симальная
скорость движения носителей в электрическом
поле,
которая
при больших полях не зависит от напряженности
элек-
трического
поля вследствии уменьшения подвижности в
силовых
полях.
Высоким
быстродействием обладают фотодиоды
на 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 i и rc.
Малое
значение обуславливается узкой
областью объемного
заряда, а небольшое значение получается за счет того,
что
удельное сопротивление металла много меньше, чем полуп-
роводника,
и соответственно меньше. Основными
переносчи-
ками
тока через контакт в этом случае являются дырки полуп-
роводника,
которые практически мгновенно
рекомбинируют с
электронами
в металле.
[1]Светодиоды
Энергетической характеристикой
излучающих диодов (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 эта вели-
чина
теоретически может достигать 100%, практически она по-
рядка
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 и
квантовая
эффективность увеличивается.
Отличительными особенностями
светодиодов по сравнению
с
обычными
источниками света являются малые размеры, малые ра-
бочие
напряжения, высокое быстродействие (~10 c) и большой
срок
службы. Светодиоды находят широкое применение для схем
автоматики,
световых табло, оптронов.
[1]Туннельные
Диоды
Туннельный диод является с
вольт-амперной характеристикой
N-типа,
работа которого основана на
туннельном прохождении
носителей
заряда через потенциальный барьер
p-n-перехода.
Как
известно, вероятность туннельного прохождения частиц че-
рез
потенциальный барьер растет с
уменьшением его ширины.
Поэтому
для создания туннельных диодов используют
p-n-пере-
ходы с
узкой 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. Уровень Ферми в
этом слу-
чае
расположен в разрешенной зоне. С
повышением концентра-
ции
примесей уменьшается и ширина области
объемного заряда
p-n-перехода
(при Na=Nd=10 см ,d 10
см). Таким образом,
сильным
легированием областей p-n-перехода
достигается вы-
рождение
p- и n- полупроводников и малое
значение ширины
p-n-перехода.
Эквивалентная схема R
туннельного диода
может ЪДД[1]ДДї
быть
представлена в виде тДДДДґ
C ГД[1]ДД
ДДДт
(Рис.
3). АДДДДДЩ r L
Рис. 3
Она состоит из дифференциального
сопротивления p-n-перехо-
да R, зарядной ёмкости C, сопротивления потерь r, индуктив-
ности
выводов L. Емкость корпуса
туннельного диода можно
учесть
в схеме внешней цепи, поэтому мы
её для простоты
опустим.
Перенос тока в туннельном диоде при V<Vост осущес-
твляется
основными носителями, а не неосновными, как в обыч-
ных диодах.
Скорость распростронения процесса
опреде-
ляется
временем релаксации . Это время
порядка 10 ...
10 с и оно не ограничивает частотные свойства
прибора.
Поэтому в
эквивалентной схеме отсутствует диффузионная
мкость
p-n-перехода, а все остальные
элементы практически
не зависят от частоты.
На основании эквивалентной схемы нетрудно
записать выраже-
ние для
полного сопротивления туннельного диода, а
из него
определить
предельную и собственную резонансную частоту.
Туннельные диоды, благодаря их
высокочастотным свойствам,
применяються в
схемах высокочастотного переключения, а
так-же
для усиления и генерирования колебаний на
сверхвысо-
ких
частотах. Схема переключения подобна
аналогичной схеме
на
S-диоде. Для того чтобы нагрузочная
прямая пересекала
вольт-амперную
характеристику в трех точках, сопротивление
нагрузки
должно быть больше дифференциального
сопротивления
диода
на участке отрицательного сопротивления.
Вследствии большей ширины запрещённой
зоны арсенида гал-
лия
напряжение срыва в диодах из него (~1
B) выше, чем в
диодах
из германия (~0,4 B). Поэтому диоды из арсенида гал-
лия
предпочтительнее для использования в
переключающих ус-
тройствах
(в особенности для счетной техники) и в
генерато-
рах.
Широкая запрещенная зона обуславливает и
большую их
термостабильность. Германиевые
туннельные диоды имеют
меньший
уровень собственных шумов, что важно для использова-
ния в
схемах усилителей.
эьц=ь[1]<*.FRM*.MAC
[1](
Б@яяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяя
|
|
|
