Лекция 13 типы полупроводниковых

                                   ДИОДОВ.

Основные типы диодов.

    Полупроводниковые диоды подразделяются на группы по многим признакам. Диоды бывают из различных полупроводниковых материа-лов, могут использоваться на низких и высоких частотах, выполнять различные функции, а также диоды отличаются друг от друга по конструкции.

  В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры определяющие площадь p – n перехода, такие же как толщина перехода или меньше её. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

  Точечные диоды имеют малую ёмкость p – n перехода (меньше 1πФ), и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков mA.

  Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают ёмкостью в десятки πФ. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков кГц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десят-ков mA до сотен A.

  Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всём своём объёме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводников для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs).

  Принцип устройства точечного диода показан на рис. 5.8.

Тонкая заострённая проволочка (игла) с нанесённой на неё примесью приваривается при помощи импульса тока к пластине полупроводника с определённым типом электропроводимости. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводимости. Таким образом, около игры образуется миниатюрный р – n переход полусферической формы.

                                     

          Рис. 5.8. Принцип устройства точечного диода.

     Плоскостные диоды (рис. 5.9.) изготовляются методами сплавления

  

Рис. 5.9. Принцип устройства плоскостных диодов, изготовленных                                            

        сплавным (а) и диффузионным (б) методом.

 

или диффузии. В пластинку германия n типа вплавляют при темпера-туре около 500°С каплю индия, которая сплавляясь с германием, об-разует слой германия p типа (рис. 5.9.а).

  Диффузионный метод изготовления p – n перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник. Для интенсивной диффузии основной полупроводник нагревают до высоких температур (до 900°С). Тогда на поверхности образуется слой германия p типа. Изменяя длительность диффузии можно точно получить слой нужной толщины (рис. 5.9.б). После охлаждения его удаляют путём травления со всех частей пластинки, кроме одной грани.

 

Стабилитроны, стабисторы.

ВАХ полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремневых плоскостных диодов соответ-ствует изменениям обратного тока в  широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток мал, а в режиме пробоя, т.е. в ре-жиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток (рис. 5.10.).

                 

         Рис. 5.10.   ВАХ стабилитрона при обратном токе.

  На рис. 5.11 приведено условное графическое обозначение стабилитрона.

                                  

Рис. 5.10. Условное графическое обозначение стабилитрона.

         Основные параметры кремниевого стабилитрона:

- напряжение стабилизации составляет от 5 до 200В.

- изменение тока стабилизации от минимального до максимального составляет от десяток до сотен mA.

- максимально допустимая мощность рассеивания  составляет от сотен мВт до единиц Вт.

- дифференциальное сопротивление:

                                          =                                                   (5.7)

В режиме стабилизации дифференциальное сопротивление составляет от десятых долей Ома до 200 Ом. Чем меньше это сопротивление, тем лучше стабилизация (  = 0 - идеальная стабилизация). - это сопротивление переменному току. Сопротивление постоянному току намного больше сопротивления переменному току.

- влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Он может быть от до .

Схема включения стабилитрона приведена на рис. 5.12.

    

                Рис. 5.12. Схема включения стабилитрона.

  Наиболее часто стабилитрон работает, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в схему введено ограничительное сопротивление, которое должно иметь определённое значение, так как нестабильность напряжения питания почти полностью поглощается на ограничительном сопротивлении.

    Стабистор – это полупроводниковый диод, в котором используется не обратное напряжение, а прямое напряжение. Изготов-ляют их из кремния. Они имеют величину напряжения стабилизации равную, примерно, 0,7В. Ток стабилизации составляет от 1 mA до нескольких десятков mA. Температурный коэффициент напряжения отрицательный.

 

         3. Светодиоды.

При подаче прямого напряжения в некоторых p – n переходах из-за интенсивной инжекции электронов в p область, где они рекомбинируют с дырками, наблюдается инжекционная электролюминесценсия. Это явление используют в светодиодах, преобразуя энергию электрического тока в энергию видимого или инфракрасного излучения. Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии (рис. 5.13.).  Часть

                      

                 Рис. 5. 13. Излучение при рекомбинации.

 

энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная  энергия излучается в виде квантов света.

  Наиболее распространёнными полупроводниковыми материалами, которые применяются в светодиодах, являются:

- арсенид галлия (GaAs) – излучение с длиной волны 0,9 мкм  (инфракрасное излучение).

- фосфид галлия (GaP) - излучение с длиной волны 0,6 ÷ 0,7 мкм.

- карбид кремния (SiC) -  излучение с длиной волны 0,46 ÷ 0,62 мкм.

На рис. 5.14 и 5.15 показана конструкция светодиодов различной формы:

 

                                  

        Рис. 5.14. Плоская конструкция светодиода.

 

  На рис. 5.16 приведено условное графическое обозначение светодиода. На рис. 5.17, 5.18 и 5.19 приведены соответственно вольт-амперная, яркостная и спектральная характеристики светодиода.

 

                               

  Рис. 5.15. Сферическая конструкция светодиода.

 

                                 

   Рис. 5.15. Условное графическое изображения светодиода.

                      Основные параметры светодиодов:

       - рабочее напряжение светодиодов не более 3 ÷ 5В.

       - рабочий ток составляет от 1 до 100 mA.

        - малая инерционность  ÷  сек.

 

                       

  Рис. 5.16. Вольт-амперная характеристика светодиода.

                                 

            Рис. 5.17. Яркостная характеристика светодиода.

         

               Рис. 5.18. Спектральная характеристика светодиода.

  Излучаемая мощность и к.п.д. светодиода значительно возрастают при глубоком охлаждении. Приборы на арсениде галлия охлаждённые  до температуры жидкого азота (77°К) имеют к.п.д. примерно 100%.