Политех в Сети

Сайт для Учебы

4.4.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Рейтинг пользователей: / 3
ХудшийЛучший 

Полупроводниковые диоды строят на основе полупроводниковых структур с переходом. Полупроводниковый диод - это двухполюсник с одним переходом. В зависимости от конструкции полупроводниковые диоды делятся на точечные и плоскостные. Наиболее распространены плоскостные диоды, у которых площадь перехода значительно больше его толщины.

Плоскостные диоды обычно изготавливаются методами сплавления (вплавления) или диффузии. Диоды изготавливают с несимметричными переходами, для которых или . В пластинку германия Типа вплавляют при температуре около каплю индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия Типа. Область с электропроводностью Типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий Типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область Типа. Сплавным методом получают резкие или ступенчатые Переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов в переходе переход с омическими контактами и обозначение полупроводникового диода на схемах показано на рис. 4.6.

Рис. 4.6. - переход с омическими контактами и обозначение диода

Диффузионный метод изготовления перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник. При этом атомы примеси проникают на относительно большую глубину в основной полупроводник, и поэтому переход получается плавным.

Свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. При повышении температуры прямой и обратный токи растут. Резко увеличивается обратный ток, что объясняется усилением генерации пар носителей. При повышении температуры на каждые у германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в 2 раза, у кремниевых - в 2,5 раза. Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры. Кремниевые диоды работают в диапазоне температур от минус 65 до плюс 125.

В зависимости от функционального назначения различают следующие типы диодов: выпрямительные, высокочастотные, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока в постоянный ток. Такое назначение обусловлено односторонней проводимостью электронно-дырочного перехода. Выпрямительные диоды конструктивно выполняются с большой площадью переходов на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Основными для выпрямительных диодов являются их статические параметры, характеризующие их вентильные свойства: сопротивления в прямом и обратном направлениях, а также величина допустимого обратного напряжения.

Высокочастотные диоды предназначены для работы на частотах до единиц-десятков гигагерц. В качестве высокочастотных диодов используются точечные диоды. В них электронно-дырочный переход образован контактом металлической пружинки из вольфрама с полупроводниковым кристаллом. После пропускания через такой контакт мощных электрических импульсов происходит электроформовка. При этом из металлической пружинки в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности и в приконтактной области образуется миниатюрный переход сферической формы. Площадь перехода получается меньше 50 мкм, что обеспечивает малую емкость перехода. Германиевые точечные диоды изготавливаются из германия Типа со сравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия работает в качестве эмиттера. Для изготовления кремниевых точечных диодов используются кремний Типа и игла, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния. Особенностью контактов металл-полупроводник является возможность выпрямления без инжекции неосновных носителей в кристалл полупроводника. Поэтому в базе диода не происходит накопления и рассасывания носителей, что свойственно плоскостным диодам, ограничивающих их частотный диапазон. Наиболее важными параметрами для высокочастотных диодов являются емкость перехода, индуктивность выводов, время восстановления. Небольшая емкость перехода точечных диодов, достигающая десятых долей пикофарады, благодаря очень малой площади перехода позволяет применять их в диапазоне сверхвысоких частот. Высокочастотные диоды подразделяются на детекторные, смесительные, умножительные, переключательные. В качестве переключательных диодов используются диоды Шоттки, представляющие собой структуру металл-полупроводник. В них отсутствует инжекция неосновных носителей в базу, так как прямой ток образуется электронами, движущимися из кремния в металл. При этом не происходит накопления заряда в базе диода и время переключения уменьшается до единиц наносекунд.

Плоскостные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц. Точечные диоды могут работать в качестве выпрямителей переменного тока, как на высоких, так и на низких частотах. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока.

Ниже на рис.4.7 приведена схема однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Рис. 4.7. Однополупериодный выпрямитель

Источник синусоидального напряжения через трансформатор подключен к последовательному соединению полупроводникового диода и сопротивления нагрузки , исполняющего роль потребителя энергии постоянного тока. Во время положительного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток , создающий на резисторе нагрузки падение напряжения . В течение отрицательного полупериода напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным, при этом тока практически нет и напряжение . Таким образом, через диод и резистор будет проходить пульсирующий ток в виде импульсов, продолжительностью полпериода. Этот ток создает на резисторе выпрямленное напряжение , которое изменяется по закону выпрямленного тока. Полезной частью выпрямленного напряжения для полусинусоидального импульса является его постоянная составляющая или среднее значение за полупериод . Так как во второй полупериод напряжение на нагрузке равно нулю, то за весь период среднее значение будет вдвое меньше и равно Графики, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя, приведены на рис. 8.8.

описание: однополупериодныйвыпрямительнапряжения

Рис. 4.8. Графики, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя

Переменная составляющая напряжения в нагрузке создает пульсации, для уменьшения которых используют сглаживающие фильтры. В качестве сглаживающих фильтров применяют конденсаторы, подключаемые параллельно резистору нагрузки.

4.4.1.Стабилитрон

При некотором значении обратного напряжения наблюдается резкий рост обратного тока через переход. Это явление называется электрическим пробоем. Возможны два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный. Лавинный пробой возникает в полупроводниках с невысокой концентрацией примесей. Неосновные носители заряда приобретают энергии, достаточные для ионизации атомов полупроводника. При этом возникают дополнительные электроны и дырки, которые на своем пути ионизируют новые атомы. В результате развивается лавина подвижных носителей заряда

Туннельный пробой характерен для полупроводников с высоким уровнем легирования. У полупроводников с повышенной концентрацией примесей ширина перехода значительно меньше, чем у обычных, и на нем возникает значительная напряженность электрического поля. При больших напряженностях поля порядка начинают проявляться квантовомеханические свойства электронов. Некоторые электроны, не обладая достаточной энергией для преодоления потенциального барьера, могут пройти через него, если с другой стороны барьера имеется такой свободный энергетический уровень, какой занимали электроны перед барьером. Электрический пробой носит обратимый характер. При чрезмерном перегреве перехода происходит тепловой пробой, при котором электронно-дырочный переход выходит из строя. При тепловом пробое количество отводимого тепла меньше выделяемого в переходе. Тепловой пробой наступает при напряжениях, превышающих напряжение лавинного пробоя.

Электрический пробой сопровождается резким возрастанием тока при практически неизменном напряжении на переходе, как это видно из рис. 4.9.

описание: 3

описание: 3

Рис. 4.9. Обратная ветвь вольтамперной характеристики и схема включения стабилитрона

Эта особенность позволяет использовать такие электронно-дырочные переходы для стабилизации напряжений. Для стабилизации напряжений от единиц до нескольких сотен вольт применяют специально изготовленные кремниевые плоскостные диоды, называемые стабилитронами. Стабилизация напряжения происходит при выборе рабочей точки на падающем участке обратной ветви вольтамперной характеристики (точка а).

Важными параметрами стабилитрона являются напряжение стабилизации , равное напряжению пробоя, максимально и минимально допустимые значения тока стабилизации и , коэффициент стабилизации и дифференциальное сопротивление. Дифференциальное сопротивление стабилитрона равно:

. (4.21)

Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем круче обратная ветвь и тем лучше стабилизирующее свойство стабилитрона.

Изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус характеризует температурный коэффициент напряжения стабилизации. У стабилитронов с лавинным пробоем температурный коэффициент положительный, а у стабилитронов с туннельным пробоем – отрицательный. Положительный температурный коэффициент можно скомпенсировать, включив последовательно со стабилитроном плоскостной кремниевый диод, смещенный в прямом направлении и имеющий отрицательный температурный коэффициент. Термокомпенсирующий диод встраивают в корпус стабилитрона на этапе его изготовления.

На рис.4.9 приведена также схема включения стабилитрона для стабилизации напряжения на сопротивлении нагрузки . Стабилитрон включается параллельно нагрузочному сопротивлению, на которое надо подать стабилизированное напряжение. Напряжение на нагрузке будет равно напряжению на стабилитроне. Поскольку стабилитрон должен работать на обратной ветви вольтамперной характеристики, его включают в обратном направлении по отношению к входному напряжению. Сопротивление задает положение рабочей точки на обратной ветви вольтамперной характеристики. При увеличении напряжения источника входного напряжения увеличивается ток через стабилитрон, а напряжение на нем практически не меняется, так как при этом уменьшается его сопротивление. Изменение входного напряжения вызывает соответствующее изменение падения напряжения на резисторе . Если напряжение источника уменьшится, то ток через стабилитрон уменьшится, а его сопротивление соответственно увеличится. Напряжение на нагрузке будет оставаться почти неизменным. Если напряжение изменяется от до , то сопротивление можно рассчитать по следующей формуле:

, (4.22)

Где:

- среднее напряжение источника; - средний ток стабилитрона;

- ток нагрузки.

Эффективность стабилизации напряжения характеризует коэффициент стабилизации , который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе:

. (4.23)

Широкий перечень стабилитронов и их параметров приводится в справочниках по полупроводниковым диодам.

4.4.2.Варикап.

Смещенный в обратном направлении - переход обладает барьерной емкостью. Барьерная емкость обусловлена неподвижными носителями зарядов разных знаков и зависит от величины запирающего напряжения. С увеличением запирающего напряжения толщина обедненного слоя увеличивается, при этом барьерная емкость уменьшается, как показано на рис. 4.10.

описание: 3

Рис. 4.10.Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения

Величина барьерной емкости равна:

, (4.24)

Где:

- емкость при обратном напряжении ;

- контактная разность потенциалов;

- запирающее напряжение;

Плоскостные диоды, емкость которых изменяется изменением запирающего напряжения, называются варикапами. Можно сказать, что варикапы – это конденсаторы переменной емкости, управляемые изменением обратного напряжения. Важным параметром варикапа является коэффициент перекрытия по емкости при заданном изменении обратного напряжения. Так для варикапа КВ105 при изменении обратного напряжения в пределах нескольких вольт барьерная емкость изменяется в пределах от 400 до 600 пФ. В справочниках приводятся данные для широкого спектра выпускаемых промышленностью варикапов.

Варикапы используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоматической подстройки частоты. Обозначение варикапа и его включение для подстройки колебательного контура показаны на рис. 4.11. Изменяя с помощью потенциометра обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура. Конденсатор является разделительным, чтобы варикап по постоянному напряжению не замыкался накоротко катушкой контура. Емкость конденсатора должна быть намного больше емкости варикапа.

описание: варикап

Рис. 4.11. Схема включения варикапа для подстройки частоты контура

4.4.3.Туннельный диод

Квантовомеханический туннельный эффект в переходе открыт японцем Лео Есаки в 1958 году. Впоследствии на основе этого эффекта были созданы туннельные диоды. В них применяется германий или арсенид галлия с концентрацией примесей в раз большей, чем для обычных диодов. Концентрация доноров в -области и акцепторов в -области составляет . Такие полупроводники называются вырожденными. В вырожденном полупроводнике переход получается в десятки-сотни раз тоньше, чем в обычных диодах. Если у обычных полупроводниковых диодов ширина перехода составляет примерно 1 мкм, то у туннельных – 0,001 мкм. Другим следствием высокой концентрации примесей является то, что уровень Ферми поднимается на -стороне в зону проводимости, а на -стороне опускается в валентную зону. В зоне проводимости, таким образом, постоянно присутствует много электронов и в валентной зоне - очень много дырок. Из-за малой толщины запирающего слоя напряженность электрического поля на таком переходе вследствие контактной разности потенциалов составляет величину порядка и более. При таких больших напряженностях электрического поля начинают проявляться волновые свойства электронов. При этом возникновение тока в электронно-дырочном переходе определяется не только диффузией, но и туннельным эффектом. Туннельный эффект состоит в том, что благодаря волновым свойствам электрона, имеется вероятность его перехода через потенциальный барьер перехода без потери электроном энергии. При отсутствии внешнего напряжения на переходе уровни Ферми областей и лежат на одной высоте. При повышении уровня прямого напряжения начинает появляться диффузионный ток. Однако при этом значительно сильнее проявляется другой эффект: незаполненные уровни валентной зоны -слоя располагаются на одной высоте с энергетическими уровнями электронов, находящихся в зоне проводимости -слоя. При этом существует вероятность того, что электрон перейдет из одной зоны в другую путем туннелирования. Возникновение туннельного эффекта можно объяснить незначительной толщиной перехода, а с другой стороны тем, что полностью заполненная зона проводимости находится на одинаковой высоте с незаполненной валентной зоной, а приложенное напряжение достаточно мало, так что диффузионным током еще можно пренебречь. При увеличении прямого напряжения обе зоны смещаются друг относительно друга, так что в итоге туннельный ток, достигнув максимального значения, начинает уменьшаться, а диффузионный ток возрастает. В тонком переходе имеют место два тока – туннельный и диффузионный. Максимум туннельного тока наблюдается при прямом напряжении на переходе порядка 100мВ.

описание: туннельныйдиод

Рис.4.12.Обоззначение туннельного диода и его вольтамперная характеристика.

Вольтамперная характеристика туннельного диода, представленная на рис. 4.12, получается суммированием туннельного и диффузионного токов. На вольтамперной характеристике имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет создавать на туннельных диодах генераторы электрических колебаний сверхвысоких частот (до Гц). Мощность туннельного диода невелика и генерируемое напряжение соизмеримо с шириной запрещенной зоны.

Характерные точки вольтамперной характеристики:

– напряжение пика (0,06В для германия и 0,18 В для арсенида галлия);

– ток пика (1мА – 100 мА);

– напряжение впадины (0,3В для германия и 0,55В для арсенида галлия;

– ток впадины;

- 510 для германия и 1015 для арсенида галлия;

В туннельном диоде отсутствует вентильный эффект. Если приложить к переходу обратное напряжение, то уровни электронов, находящихся в валентной зоне -слоя, совпадают со свободными уровнями зоны проводимости -слоя, что вызывает ток и в обратном направлении.