Класифікація

Напівпровідникові діоди

Класифікація напівпровідникових діодів проводиться за наступними ознаками:

методу виготовлення переходу: сплавні, дифузійні, планарні, точкові, діоди Шотки та ін;
матеріалу: германієві, кремнієві, арсенід-галієвих та ін;
фізичним процесам, на використанні яких заснована робота діода: тунельні, лавинно-пролітні, фотодіоди, світлодіоди, діоди Ганна та ін;
призначенням: випрямні, універсальні, імпульсні, стабілітрони, детекторні, параметричні, змішувальні, СВЧ-діоди та ін

Деякі із зазначених типів діодів за призначенням будуть розглянуті в цій главі, а інші - у відповідних розділах навчального посібника.

4.2. Випрямні діоди
Випрямними зазвичай називають діоди, призначені для перетворення змінної напруги промислової частоти (50 або 400 Гц) в постійне. Основою діода є звичайний р-n-перехід. У практичних випадках р-n-перехід діода має достатню площу для того, щоб забезпечити невеликий прямий струм. Для отримання великих зворотних (пробивних) напружень діод зазвичай виконується з високоомного матеріалу.

Основними параметрами, що характеризують випрямні діоди, є:

максимальний прямий струм .
зворотний струм при заданому зворотному напрузі (Значення зворотного струму германієвих діодів на два - три порядки більше, ніж у кремнієвих);
падіння напруги на діоді при заданому значенні прямого струму I _np (U _np 0,3 ... 0,7 В для германієвих діодів і U _np 0,8 ... 1,2 В - для кремнієвих);
максимально допустимий постійний зворотна напруга діода (Для германієвих діодів до 400 В, кремнієвих до 1000 В);
бар'єрна ємність діода при подачі на нього зворотної напруги деякої величини;
діапазон частот, в якому можлива робота діода без істотного зниження випрямленого струму;
робочий діапазон температур (германієві діоди працюють в діапазоні -60 ... +70 ° С, кремнієві - в діапазоні -60 ... +150 ° С, що пояснюється малими зворотними струмами кремнієвих діодів).

Випрямні діоди зазвичай підрозділяються на діоди малої, середньої та великої потужності, розраховані на випрямлений струм до 0,3, від 0,3 до 10 і понад 10 А відповідно.

Для роботи на високих напругах (до 1500 В) призначені випрямні стовпи, що представляють собою послідовно з'єднані р-n-переходи, конструктивно об'єднані в одному корпусі. Випускаються також випрямні матриці і блоки, що мають в одному корпусі по чотири або вісім діодів, з'єднані по мостовій схемі випрямляча і мають до 1 А та до 600В.

При протіканні великих прямих струмів і певному падінні напруги на діоді в ньому виділяється велика потужність. Для відводу даної потужності діод повинен мати великі розміри р-n-переходу, корпусу і висновків. Для поліпшення тепловідводу використовуються радіатори або різні способи примусового охолодження (повітряне або навіть водяне).

Серед випрямних діодів слід виділити особливо діод з бар'єром Шотки. Цей діод характеризується високою швидкодією і малим падінням напруги ( <0,6 В). До недоліків діода слід віднести мале пробивна напруга і великі зворотні струми.

4.3. Стабілітрони і Стабистор
Стабілітроном називається напівпровідниковий діод, на зворотному гілки ВАХ якого є ділянка з сильною залежністю струму від напруги (рис. 4.1), тобто з великим значенням крутизни . Якщо така ділянка відповідає прямої гілки ВАХ, то прилад називається Стабистор.

Стабілітрони використовуються для створення стабілізаторів напруги.

Н апряженіе стабілізації дорівнює напрузі пробою р-n-переходу при деякому заданому струмі стабілізації . Стабілізуючі властивості характеризуються диференційним опором стабілітрона , Яке має бути можливо менше. Температурна залежність напруги стабілізації характеризується температурним коефіцієнтом напруги , Де d Т і d - Зміни температури і напруги. Промисловістю випускаються стабілітрони з параметрами: від 1,5 до 180 В, струми стабілізації від 0,5 мА до 1,4 А; від 0,05 до 0,15% / К; від часток та одиниць ома (у потужних стабілітронів) до сотень і навіть тисяч ом (у високовольтних малопотужних стабілітронів). Особливу групу складають прецизійні стабілітрони, що мають до 0,0005% / К, тобто в сотні разів нижче, ніж звичайні. Їх використовують як джерел опорної напруги.

Випускаються також двоханодного стабілітрона, службовці для стабілізації різнополярних напруг і представляють собою зустрічно включені р-n-переходи.

4.4. Універсальні та імпульсні діоди
Вони застосовуються для перетворення високочастотних і імпульсних сигналів. У даних діодах необхідно забезпечити мінімальні значення реактивних параметрів, що досягається завдяки спеціальним конструктивно-технологічним заходам.

Одна з основних причин інерційності напівпровідникових діодів пов'язана з дифузійною ємністю (див. § 3.7, 3.8). Для зменшення часу життя використовується легування матеріалу (наприклад, золотом), що створює багато ловушечного рівнів у забороненій зоні, що збільшують швидкість рекомбінації.

Різновидом універсальних діодів є діод з короткою базою. У такому діоді протяжність бази менше дифузійної довжини неосновних носіїв. Отже, дифузійна ємність буде визначатися не часом життя неосновних носіїв в базі, а фактичним меншим часом знаходження (часом прольоту). Однак здійснити зменшення товщини бази при великій площі р-n-переходу технологічно дуже складно. Тому що виготовляються діоди з короткою базою при малій площі є малопотужними.

В даний час широко застосовуються діоди з pin-структурою, в якій дві сільнолегірованние області р-і n-типу розділені досить широкою областю з провідністю, близькою до власної (i-область). Заряди донорних і акцепторних іонів розташовані поблизу кордонів i-області. Розподіл електричного поля в ній в ідеальному випадку можна вважати однорідним (на відміну від звичайного pn-переходу). Таким чином, i-область з низькою концентрацією носіїв заряду, але володіє діелектричною проникністю можна прийняти за конденсатор, «обкладками» якого є вузькі (через велику концентрацію носіїв у р-і n-областях) шари зарядів донорів і акцепторів. Бар'єрна ємність pin-діода визначається розмірами i-шару і при досить широкої i-області від прикладеної постійної напруги практично не залежить.

Особливість роботи р-in-діода полягає в тому, що при прямій напрузі одночасно відбувається інжекція дірок з p-області і електронів з n-області в i-область. При цьому його пряме опір різко падає. При зворотному напрузі відбувається екстракція носіїв з i-області в сусідні області. Зменшення концентрації призводить до додаткового зростання опору i-області в порівнянні з рівноважним станом. Тому для pin-діода характерно дуже велике відношення прямого та зворотного опорів, що важливо при використанні їх в переключательних режимах.

В якості високочастотних універсальних діодів використовуються структури з бар'єрами Шотки і Мотта. У цих приладах процеси прямої провідності визначаються тільки основними носіями заряду. Таким чином, у розглянутих діодів відсутня дифузійна ємність, пов'язана з накопиченням і розсмоктуванням носіїв заряду в базі, що і визначає їх хороші високочастотні властивості.

Відмінність бар'єру Мотта від бар'єра Шотки полягає в тому, що тонкий i-шар створений між металом М і сильно легованих напівпровідниках , Так що виходить структура M - i - n. У високоомним i-шарі падає все прикладена до діода напруга, тому товщина збідненого шару в -Області дуже мала і не залежить від напруги. І тому бар'єрна ємність практично не залежить від напруги і опору бази.

Н аібольшую робочу частоту мають діоди з бар'єром Мотта і Шотки, які на відміну від р-n-переходу майже не накопичують неосновних носіїв заряду в базі діода при проходженні прямого струму і тому мають малий час відновлення (Близько 100 пс).

Різновидом імпульсних діодів є діоди з накопиченням заряду (ДНЗ) або діоди із різким відновленням зворотного струму (опору). Імпульс зворотного струму в цих діодах має майже прямокутну форму (рис. 4.2). При цьому значення може бути значним, але має бути надзвичайно малим для використання ДНЗ в швидкодіючих імпульсних пристроях.

Отримання малої тривалості пов'язане зі створенням внутрішнього поля в базі близько збідненого шару р-n-переходу шляхом нерівномірного розподілу домішки. Це поле є гальмуючим для носіїв, які прийшли через збіднений шар при прямій напрузі, і тому перешкоджає відходу інжектованих носіїв від кордону збідненого шару, змушуючи їх компактніше концентруватися поблизу кордону. При подачі на діод зворотного напруги (як і в звичайному діоді) відбувається розсмоктування накопиченого в базі заряду, але при цьому внутрішнє електричне поле вже буде сприяти дрейфу неосновних носіїв до збідненого шару переходу. У момент , Коли концентрація надлишкових носіїв на кордонах переходу спадає до нуля, що залишився надлишковий заряд неосновних носіїв у базі стає дуже малим, а, отже, виявляється малим і час спадания зворотного струму до значення .