Раздел 2. Полупроводниковые приборы

 

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним электронным переходом и двумя выводами.

 

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ.

 

Выпрямительные диоды являются плоскостными. Площадь перехода определяется расчетным значением (~I _a) выпрямленного I_a.

На рис.1 приведены ВАХ Ge и Si выпрямительных диодов малой мощности при комнатной и максимально допустимой температуре окружающей среды. Наиболее существенно отличаются обратные ветви приведенных характеристик. Это различие проявляется в характеристике зависимости как обратного I от U_обр. , так и, особенно сильно, от температуры. Обратные ветви указанных характеристик отличаются также от характеристик идеального p-n-перехода.

 

 

Причины отличий.

Рассматривая p-n-переход при обратном включении, мы считали I_обр. равным тепловому (дрейфовому) току I_т, который не зависит от U_обр.. Поэтому характеристика I_обр. идеального p-n-перехода шла параллельно горизонтальной оси. В реальном p-n-переходе при обратном напряжении кроме теплового тока протекают еще токи термогенерации (I_г) и утечки (I_у).

В отличие от I_т, образующегося за счет наличия носителей заряда в p- и n-областях, I_г является следствием возникновения носителей заряда в самом p-n-переходе. Внутри p-n-перехода, как в каждом полупроводнике, при комнатной температуре имеет место ионизация атомов, в результате которой образуется небольшое количество носителей заряда - свободных электронов и дырок (ē и p_к). Электрическим полем перехода дырки перебрасываются в p-область, а ē в n-область, повышая, таким образом, I_обр. диода. Поскольку указанные носители заряда возникают за счет тепловой (генерации) энергии, этот ток называется током термогенерации. С повышением U_обр. ширина p-n-перехода повышается и I_г повышается. При повышении температуры I_г также повышается.

I_у протекает по поверхности кристалла под действием U_обр. и зависит от наличия на этой поверхности молекулярных или ионных пленок, шунтирующих переход, например, молекул окислов основного материала, молекул газа и т.п. С повышением U_обр. повышается I_у. От температуры I_у практически не зависит.

Таким образом I_обр. через VD имеет три составляющие:

I_обр. = I_т + I_г + I _у

Поскольку I_г и I _у зависят от U_обр., суммарный ток диода также зависит от приложенного к нему U_обр..

Соотношение между составляющими I_обр. у Ge и Si диодов различно. У Ge диодов при комнатной температуре I_т>>I_г+I_у. Следовательно: 1)изгиб у характеристики I_обр. в начале; 2)при повышении температуры I_обр. сильно повышается. У Si диодов при комнатных температурах очень мал, и поэтому

I_г+I_у >>I_т. Причем часто I_у >I_г, т.е. I_у является основной составляющей тока I_обр. у Si диодов.

При комнатной температуре электрический пробой у Ge дидов наступает примерно при U_обр. =150 В, а у Si - при U_обр. =300 В. С повышением температуры U_проб. у Ge диодов резко падает, а у Si – даже несколько повышается. Т.о., Si диоды могут работать при более высоких U_обр. и с меньшими I_обр., чем Ge. Поэтому в настоящее время выпрямительные диоды изготавливаются на базе Si.

Прямой ток диодов при повышении температуры также повышается, т.к. повышается число носителей заряда в p- и n- областях в результате ионизации.

Эквивалентная схема диода на НЧ показана на рис.2.

 

 

В этой схеме R₀ – небольшое суммарное сопротивление p- и n- областей, R_n – сопротивление p- n-перехода, зависящее от полярности и значения приложенного напряжения, C_n – емкость перехода.

При прямом включении

R_пр. = ∆U_пр. / ∆I_пр. [единицы – десятки Ом – маломощные диоды].

При обратном включении

R_обр. = ∆U_обр. / ∆I_обр. [единицы МОм – маломощные диоды].

 

Т.е. R_обр>>R_пр., дающее возможность использовать диод в качестве выпрямительного элемента.

Из-за большой площади перехода емкость у выпрямительных диодов относительно велика (десятки пФ). Поэтому их можно применять для выпрямления токов с частотами не более 1-2 кГц.

 

Однотипные диоды можно соединять между собой последовательно или параллельно.

Необходимость в последовательном соединении диодов возникает в тех случаях, когда выпрямляемое напряжение по своей амплитуде превышает максимально допустимое U_обр. диода. Из-за разброса параметров соединяемые диоды могут иметь неодинаковое R_обр.. Это приведет к тому, что U_обр. распределится между ними неравномерно. Отдельные диоды, имеющие наибольшее R_обр., будут работать при повышенном U_обр. и могут выйти из строя. Причем пробой одного из диодов приведет к выходу из строя остальных, соединенных с ним последовательно, т.к. выпрямляемое напряжение распределится между еще работающими диодами и на долю каждого из них придется U_обр., значительно превышающее допустимое. Поэтому при последовательном соединении диоды обычно параллельно каждому из них подключают уравнительные резисторы с сопротивлением порядка сотен кОм (рис. 3а).

К параллельному соединению диодов прибегают тогда, когда нужно получить ток больше предельного тока диодов данного типа. При параллельном соединении различие в прямых сопротивлениях диодов приводит к тому, что они оказываются неодинаково нагруженными и ток через диод с наименьшим прямым сопротивлением может превысить предельный. Поэтому для выравнивания токов последовательно с диодом включают резисторы с малым сопротивлением

(десятые доли Ом – единицы Ом) (рис. 3б).

 

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ.

 

Высокочастотные диоды предназначены для работы на частотах до 1000 МГц. На таких частотах могут работать только диоды с малой емкостью перехода (не более 1-2 пФ). Поэтому в качестве высокочастотных в большинстве случаев используют точечные диоды. Поскольку высокочастотные диоды могут хорошо работать и на низких частотах, т.е. в широком диапазоне частот, их называют также универсальными.

Из-за малой площади перехода максимально допустимый I_пр. у высокочастотных диодов обычно не превышает несколько десятков мА. Максимально допустимое U_обр. также невелико – десятки В.

Т.к. высокочастотные диоды могут применятся в преобразователях частоты и в других нелинейных устройствах, важным параметром для них является дифференциальное R_пр. или сопротивление переменному току, представляющее собой отношение малого приращения U_пр. к вызванному этим приращением приросту I_пр.:

r _диф.= dU_пр./dI_пр.≈ ΔU_пр./ΔI_пр

Дифференциальное сопротивление следует отличать от сопротивления диода постоянному току, которое определяется, как было отмечено ранее, отношением U к I в заданной точке характеристики:

R _стат. = U_пр. / I_пр.

 

Из рис. 4 видно, что R_диф. диода, определяемое наклоном касательной 1 в данной точке А характеристики, всегда меньше сопротивления постоянному току, определяемого наклоном прямой 2, проходящей через начало координат и эту же точку:

R_диф. < R_ст.

 

 

R_диф. точечных диодов имеет порядок единиц – десятков Ом, а R_ст. десятков – сотен Ом. Поскольку R _диф. диодов в сильной мере зависит от I_пр., при котором оно определяется, в справочниках обычно приводят зависимости R_диф. от I_пр..

 

ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ.

 

Импульсным называется диод с малой длительностью переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.

Импульсные диоды работают в различных электронных схемах в качестве электронного ключа (рис. 5).

 

На диод, соединенный последовательно с нагрузкой, подается импульсное напряжение. При положительном импульсе диод находится под прямым напряжением, его сопротивление мало (ключ замкнут), через нагрузку протекает ток. При отрицательном импульсе к VD приложено U_обр., его сопротивление велико (ключ разомкнут), тока в нагрузке нет. Длительность импульсов может быть очень мала. Тогда для нормальной работы схемы, диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое. Однако это затруднено инерционностью диода, т.к. при смене полярности, с прямой на обратную, сопротивление диода не может мгновенно измениться от R_пр. до R_обр., требуется определенное время.

Интервал времени от момента переключения диода с прямого напряжения на обратное, в течение которого R_обр. перехода полупроводникового диода восстановится до постоянного значения, называется временем восстановления обратного сопротивления и обозначается τ_восст.

На импульс I_обр. оказывает также влияние емкость диода С_д. При переходе на U_обр. эта емкость заряжается и ток заряда повышает импульс I_обр.. Понижение τ_восст. в импульсных диодах достигается в основном путем ускорения процесса рекомбинации в базе (примесь Au в базе), а также понижением емкости диода (применение микросплавных переходов). Значительное понижение τ_восст. дает использование диода с контактом металл - полупроводник (диоды Шотки). Эти диоды работают без инжекции не основных носителей в базу, а значит, у них нет накопления и рассасывания этих носителей в базе. Инерционность диодов Шотки обусловлена лишь их емкостью.

 

СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ.

 

Диоды СВЧ предназначены для работы в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн (10⁸…10⁹ Гц).

Такие диоды делятся на:

— смесительные, используемые в супергетеродинных радиолокационных приемниках в качестве нелинейного элемента;

— видеодетекторные, предназначенные для детектирования СВЧ сигнала;

— параметрические, применяемые в параметрических усилителях СВЧ;

— переключающие, служащие для электронного переключения цепей СВЧ;

— умножительные, используемые для умножения частоты путем получения высших гармоник исходной частоты за счет нелинейности диода;

 

Диоды СВЧ изготовляют из полупроводников с малым удельным сопротивлением (с большой концентрацией примеси в базе), и они имеют точечный p-n-переход очень малых размеров. Этим достигается быстрая рекомбинация носителей заряда в базе и малая емкость перехода.

Пробивное напряжение у СВЧ диодов составляет единицы В. Из-за очень малой площади перехода максимально допустимый I_пр. также мал (15…20 мА).

В связи с этим в настоящее время в качестве переключательных СВЧ диодов большое применение находят диоды с PIN –структурой.

Рассмотрим работу диода с PIN- структурой. В них между p- и n- областями расположена область полупроводника с собственной проводимостью.

Без внешнего напряжения в данной структуре образуются два перехода: PI и IN (рис.7). При одинаковой концентрации примесей в p- и n- областях в момент образования структуры дырки из p-области, а свободные электроны из n-области начнут примерно в равном количестве диффундировать в i-область. При этом последняя не будет приобретать избыточных зарядов, а в p- и n- областях будут выступать собственно не скомпенсированные отрицательные заряды атомов акцепторной примеси и положительные заряды атомов донорной примеси. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока I_диф. в каждом переходе не уменьшится до значения встречного I_тепл., образованного не основными носителями заряда, и в переходах наступит динамическое равновесие. Т.о. потенциальные барьеры в переходах образуются за счет выступивших зарядов с одной стороны каждого перехода.

Если к p-области приложить положительное внешнее напряжение, а к n-области отрицательное внешнее напряжение, то потенциальные барьеры понизятся и в каждом переходе возрастет I_диф.. Диффундирующие навстречу друг другу дырки из p- области и свободные электроны из n-области будут рекомбинировать между собой в i-области. Через структуру в целом будет протекать I_диф.. Следовательно, данное включение диода является прямым.

При обратном включении (отрицательный – к p-области, положительный – к

n-области) потенциальные барьеры повысятся и I_диф. станет равно нулю. Через диод будет протекать небольшой тепловой ток.

Как видно, PIN-диоды, как и диоды c p-n-переходом, обладает односторонней проводимостью. Но у PIN-диода малая С_бар., т.к. заряды противоположного знака (обкладки конденсатора) разделены областью i. Таким образом, удалось получить плоскостной диод, способный пропускать достаточно большие токи и в то же время имеющий малую емкость, позволяющую применять его на СВЧ.

В качестве СВЧ VD широко применяются также диоды Шотки.

 

СТАБИЛИТРОНЫ.