Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р-n) переход (П), разделяющий р- и n-области кристалла полупроводника (рис. 10.2).

К р- и n-области кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.

По конструктивному выполнению различают точечные и плоскостные диоды. Широкое применение диоды получили в источниках вторичного электропитания (выпрямителях).

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (а следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а вторая, с меньшей концентрацией — базой. Если эмиттером является p-область, для которой основными носителями заряда служат дырки p_p, а базой n-область (основные носители заряда — электроны n_n), то выполняется условие p_p≥n_n.

p_p — обозначение дырок в p-области; тогда обозначение дырок в n-области, для которой они являются неосновными носителями зарядов, будет соответственно p_n.

Принцип работы. При отсутствии внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, в результате встречной диффузии дырок (из р- в n-область) и электронов (из n- в р-область) в объеме полупроводникового кристалла, расположенного вблизи границы раздела двух областей с различной проводимостью, окажутся некомпенсированными заряды неподвижных ионов примесей (акцепторов для р-области и доноров для n-области), которые по обе стороны раздела полупроводникового кристалла создадут область объемного заряда (рис. 10.2). Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры количество диффундируемых через р-n-переход основных носителей заряда из одной области должно равняться количеству диффундируемых основных носителей заряда из другой области. С учетом того, что концентрация электронов n_n в базе значительно меньше концентрации дырок p_p в эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет больше, чем со стороны эмиттера, как это показано на рис. 10.2. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает напряженность E_зар электрического поля, препятствующего дальнейшей встречной диффузии основных носителей зарядов.

Рис. 10.2. Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов р-n-перехода в отсутствие внешнего напряжения

Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряд недостаточна, чтобы преодолеть созданный потенциальный барьер.

Если к выводам диода приложить прямое напряжение, как это показано на рис. 10.2, то создаваемая им напряженность Е электрического поля будет противоположна направлению напряженности E_зар объемного заряда и в область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее количество дырок, являющихся не основными для n-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией n_n в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что p_p≥n_n.

Если к выводам диода приложить обратное напряжение (-U), то создаваемая им напряженность (-Е) электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью E_зар объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряжеяностъ электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда: n_p- из р- в n-область и p_n- из n- в р-область, которые и образуют обратный ток p-n-перехода. Количество неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением. Поэтому обратный ток, образованный за счет неосновных носителей, называют тепловым током (I₀).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода имеет вид, приведенный на рис. 10.3 (сплошная линия), и описывается выражением

(10.1)

где U_Д - напряжение на р-n-переходе;

k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона. Выражение (10.1) соответствует ВАХ идеального р-n-перехода и не отражает некоторых свойств реального диода.

При определенном значении напряжения U_обр начинается лавинообразный процесс нарастания тока I_обр, соответствующий электрическому пробою р-n-перехода (отрезок АВ на рис. 10.3). Если в этот момент ток не ограничить, электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока I_обр характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания тока I_обр. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения U_обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р-n-переход.

Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Характер изменения прямой ветви ВАХ при изменении температуры показан на рис. 10.3. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения (ТКН), °K^-1.

Этот коэффициент показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 ̊К при некотором значении прямого тока.

Рис. 10.3. Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

Сопротивления и емкости диода. Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, легко определяемыми по ВАХ. Дифференциальное сопротивление численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как тангенс угла наклона касательной в рассматриваемой рабочей точке Е к оси абсцисс (см. рис. 10.3):

(10.2)

где ∆U и ∆I- конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки Е; mI и mU - масштабы осей тока и напряжения.

Часто представляют интерес не приращения напряжения и тока в окрестности некоторой заданной точки, а сами напряжение и ток в данном элементе. При этом совершенно безразлично, какова характеристика диода вблизи выбранной рабочей точки. В этом случае удобно пользоваться статическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения на элементе U_E к протекающему через него току I_E (рис. 10.3). Как видно из рисунка, это сопротивление равно тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:

В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение R_ст, может быть меньше или больше значения R_диф или равно ему. Однако R_ст всегда положительно, в то время как R_диф может быть и отрицательным. У элементов, имеющих линейные ВАХ, статическое и дифференциальное сопротивления равны.

При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода С_Д, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает диффузионную емкость С_диф, зарядную (барьерную) емкость С_зар и емкость С_к корпуса диода:

Диффузионная емкость возникает при прямом напряжении диода в приконтактном слое р-n-перехода за счет изменения количества диффундируемых дырок и электронов при изменении прямого напряжения. Зарядная емкость возникает при обратном напряжении и обусловлена изменением объемного заряда.

Значение емкости С_Д определяется режимом работы диода. При прямом напряжении

при обратном напряжении

Классификация диодов представлена в табл. 10.1.

Таблица 10.1 Классификация диодов

Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в практике.

Выпрямительный диод, условное графическое обозначение которого приведено на рис. 10.4, 1, использует вентильные свойства р-n-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном — разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения U_пр ключ обладает небольшим дифференциальным сопротивлением. Поэтому за счет падения напряжения U_пр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения (U_пр не превышает у германневых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В; часто за величину U_пр для кремниевых диодов принимается напряжение 0,7 В).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

_{Iпр ср max} — максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;

U_{обр.доп} — допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;

f_max — максимально допустимая частота входного напряжения;

U_пр — значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные I_{пр ср max} <0,3 A; средней мощности 0,3 A<I_{пр ср max} <10 A; большой мощности I_{пр ср max}>10 A.

По частоте: низкочастотные f_max <1000 Гц; высокочастотные f_max >1000 Гц.

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл-полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с р-n-переходом, напряжение U_пр и более высокие частотные характеристики.

Импульсный диод — полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий, так же как и выпрямительный диод, при своей работе прямую и обратную ветви ВАХ.

Длительность переходных продресов в диоде (рис. 10.4) обусловлена тем, чтo изменeние направления и значения тока через него при изменении подводимого к нему напряжения не может происходить мгновенно в связи с перезарядом емкости выпрямляющего перехода и инерционными процессами рассасывания инжектированных в базу неосновных носителей заряда. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром — временем восстановления t_вос его обратного сопротивления. Время восстановления равно интервалу времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток, который в момент переключения напряжения paвен прямому току, достигнет своего минимального значения.

Рис. 10.4. Переходные процессы в полупроводниковом диоде

Поэтому кроме параметров I_{пр ср max}, U_обр, U_пр характеризующих выпрямительные свойства, для импульсных диодов вводится параметр t_вос, характеризующий быстродействие.

Для повышения быстродействия (уменьшения t_вос) импульсные диоды изготовляют в виде точечных структур, что обеспечивает минимальную площадь, р-n-перехода, а следовательно, и минимальное значение зарядной емкости C_зар. Одновременно толщину базы делают минимально возможной для достижения минимального времени восстановления диодов.

В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.

Сверхвысокочастотный диод (СВЧ-диод) — полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки высокочастотного сигнала (до десятков и сотен ГГц). Сверхвысокочастотные диоды широко применяются при генерации и усилении электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, умножении частоты, модуляции, регулировании и ограничении сигналов и т. д. Типичными представителями данной группы диодов являются смесительные (получение сигнала суммы или разности двух частот), детекторные (выделение постоянной составляющей СВЧ-сигнала) и переключательные (управление уровнем мощности сверхвысокочастотного сигнала) диоды. Условное графическое обозначение импульсных и СВЧ-диодов аналогично обозначению выпрямительных диодов (рис. 10.0, 1).

Стабилитрон и стабистор применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Отличие стабилитрона от стабистора заключается в используемой ветви ВАХ для стабилизации напряжения. Как видно из рис. 10.3, ВАХ диода имеет участки АВ и CD, на которых значительному изменению тока соответствует незначительное изменение напряжения при сравнительно линейной их зависимости. Для стабилизации высокого напряжения (>3 В) используют обратную ветвь (участок АВ) ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами. Для стабилизации небольших значений напряжений (< 1 В —например, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами. Условное обозначение стабилитрона и стабистора показано на рис. 10.0, 2.

Стабилитроны и стабисторы изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, а следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а с уменьшением степени легирования кремния — повышается. Соответственно различают низко- и высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В.

К основным параметрам стабилитрона относятся:

U_ст — напряжение стабилизации при заданном токе;

R_диф — дифференциальное сопротивление при заданном токе;

I_{ст min} — минимально допустимый ток стабилизации;

I_{ст max} — максимально допустимый ток стабилизации;

P_max — максимально допустимая рассеиваемая мощность;

где ∆U_ст — отклонение напряжения U_ст от номинального значения при изменении температуры в интервале ∆T.

В схемах двуполярной стабилизации напряжения применяется симметричный стабилитрон, условное графическое обозначение которого показано на рис. 10.0, 3.

Варикап — полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости C_зар от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 10.5) — зависимость емкости варикапа C_В, состоящей из зарядной емкости и емкости корпуса прибора, от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости C_В может изменяться от единиц до сотен пикофарад.

Рис. 10.5. Вольт-фарадная характеристика варикапа

Основными параметрами варикапа являются:

C_В — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;

K_С — коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости C_В=f(U_обр)и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (K_C=2...20).

Зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости

где ∆C_В/C_В — относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры ∆T окружающей среды.

Условное графическое обозначение варикапа приведено на 10.0, 4.

Излучающий диод — полупроводниковый диод, излучающий из области р-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды; диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие, в свою очередь, название ИК-диоды. Принцип действия обеих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Из курса физики известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала.

Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения в лучшем случае приходится 10...20%. Поэтому кпд светодиодов невелик.

Исходными материалами для изготовления ИК-диодов являются арсенид и фосфид галлия. Полная мощность излучения этой группы диодов лежит в пределах от единиц до сотен милливатт при напряжении на диоде 1,2...3 В и прямом токе от десятков до сотен миллиампер.

Условное графическое обозначение излучающих диодов показано на рис. 10.0, 5.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды — в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.