Полупроводниковые приборы — диод / Habr

Введение

Каждый технически грамотный человек должен знать электронику. Подавляющее большинство устройств современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. По этому в рамках этой статьи, я бы хотел рассказать о диодах. Конечно, не зная основных свойств полупроводников, нельзя понять, как работает транзистор. Но одного знакомства только со свойствами полупроводников не достаточно. Необходимо разобраться в очень интересных и не всегда простых явлениях.

Краткая справка

Электро-дырочный переход (p-n переход) — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Диоды — это полупроводниковые приборы, основой которых является p-n переход. В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электро-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Используемое свойство перехода

• Выпрямительный — асимметрия вольт-амперной характеристики
• Стабилитрон — пробой
• Варикап — барьерная ёмкость
• Импульсный — переходные процессы

Познакомимся с ними подробнее.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного сигнала в постоянный.
Рассмотрим принцип действия простейшего однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Описание работы

При поступлении от первичного источника переменного напряжения, диод будет открыт на положительной полуволне и закрыт на отрицательной. В результате на полуволне через диод и сопротивление нагрузки будет протекать ток. конденсатор при этом заряжается до значения, близкого к пиковому. При уменьшении напряжения во входной цепи диод запирается. При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки.
Недостатком является то, что выпрямительное напряжение сильно зависит от сопротивления нагрузки и имеет большую амплитуду пульсаций. Поэтому такие выпрямители применяются только при высокомерных нагрузках. Для формирования Импульсов применяются амплитудные ограничители, которые могут быть последовательными и параллельными. В последовательных диодных ограничителях диод включается последовательно с сопротивлением нагрузки.

Варикапы

Варикап — полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости.
Эти параметрические диоды работают в обратном направлении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемой не механически, а электрически, при изменении обратного напряжения.
Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров. Простейшая схема включения варикапа в колебательный контур на рисунке.

Описание работы

Настройка колебательного контура на резонансную частоту может осуществляться двумя способами. Во-первых, посредством варьирования частоты проводимого к контуру переменного входного напряжения Uвх. Во-вторых, за счет изменения частоты собственных колебаний Wо, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя величину обратного напряжения Uобр., можно регулировать емкость варикапа, а следовательно и менять резонансную частоту контура. Конденсатор Cp является разделительным. Он необходим для предотвращения шунтирования варикапа индуктивностью.

Стабилитроны

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения.
Участок соответствующий электрическому пробою Uпроб. на котором напряжение слабо зависит от тока, является рабочим. При использовании стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения, его включают параллельно нагрузке. Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки Rн постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Rогр. должно иметь определенное значение. Для исключения температурного дрейфа напряжение используют последовательно соединенный диод. Подобные диоды называются термокомпенсированными стабилитронами.

Импульсные диоды

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в качестве коммутирующих элементов. Существуют различные типы импульсных диодов: сплавные, точечные меза-диоды, диоды Шоттки.
Импульсные диоды широко используют в качестве коммутирующих элементов, т.е. устройств, имеющих два устойчивых состояния: «открыто», когда сопротивления прибора мало и «закрыто», когда велико.
При использовании диода в качестве ключа, могут комбинироваться различные диодные и диодно-транзисторные схемы, предназначенные для работы в цифровой аппаратуре.

В заключении

Прошу прощения за рисунки, элементы схем не по госту(их соотношение), но думаю для наглядного примера сойдет.
PS: стоит ли рассказать о транзисторах?

I.Общая информация

Полупроводниковые

диоды

Полупроводниковый диод – прибор, имеющий два вывода для включения в электрическую цепь и обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо — противоположного направления. Это свойство диода используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).

Слово «диод» образовалось от греческой приставки «ди» — «дважды» и сокращения слова «электрод».

Строение и принцип действия

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластинку с двумя областями разной проводимости: электронной (

n— типа) и дырочной (p— типа). Между ними — разделяющая граница, называемаяp—n – переходом (область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности). Рабочий элемент — кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси.

Полупроводники стали настоящей золотой жилой техники, когда из них научились делать слоистые структуры.

Выращивая слой n-полупроводника на пластинкеp-полупроводника, мы получим двухслойный полупроводник сp—n-переходом между ними. Если к каждой половине припаять по соединительному проводу, то получится полупроводниковый диод, который действует на ток как вентиль: в одну сторону хорошо пропускает ток, а в другую сторону почти не пропускает.

П

Рисунок 1

олупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.

Как возникает выпрямляющий запирающий слой? Образование слоя начинается с того, что вp-половине больше дырок, а вn-половине больше электронов. Разность плотности носителей зарядов начинается уравновешиваться через переход: дырки проникают вn-половину, электроны в

p-половину. Рассмотрим, как создаетсяp-nпереход при использовании донорной примеси.

Этот переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Эта толщина должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия преобразуется область с проводимостью р-типа. Остальная часть образца германия, в который атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между областями возникает

p-nпереход. В полупроводниковом диоде германий служит катодом (отрицательным электродом), а индий — анодом (положительным электродом). На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоединение диода.

Процессы в зоне проводимости

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примесная

проводимость. Вp–n– переходе носители заряда образуются при введении в кристалл акцепторной илидонорнойпримеси. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

С помощью внешнего источника тока можно повысить или понизить внешний потенциальный барьер. Если к диоду приложить прямое напряжение, т.е. положительный полюс соединить сp-половиной, то внешняя электрическая сила начнёт действовать против двойного слоя, и диод пропускает ток, который быстро растёт с увеличением напряжения. Если же изменить полярность проводников, то напряжение падает почти до нулевой отметки. Если диод подключить в цепь переменного напряжения, то он будет служить как выпрямитель, т.е. на выходе будет постоянное пульсирующее напряжение, по направлению в одну сторону (от плюса к минусу). Для того чтобы сгладить амплитуду, или как её ёщё называют «пиковое значение» пульсации тока, эффективно добавить параллельно диоду конденсатор.

Диод хорошо пропускает ток, когда его отрицательный электрод соединен с отрицательным полюсом источника напряжения (батареи), а положительный с положительным полюсом, т.е. когда на диод подается напряжение прямой полярности, или, короче, прямое напряжение. В этом случае электроны в n- области полупроводниковой пластинки будут двигаться к положительному полюсу батареи, т.е. к границе сp- областью; в то же время «дырки» вp- области будут двигаться к отрицательному полюсу батареи и, следовательно, к границе сn- областью.

В результате вблизи p-nперехода произойдет накопление положительных и отрицательных зарядов, и поэтому сопротивление перехода уменьшится. При напряжении противоположной (обратной) полярности, когда положительный полюс батареи соединен сn- областью, а отрицательный сp- областью, электроны вn- области и «дырки» вp- области движутся от границыp-n– перехода. Вследствие этого происходит уменьшение положительных и отрицательных зарядов вблизиp-nперехода, и его сопротивление увеличивается. Это и означает, что при переменном напряжении ток через диод в одном направлении будет большей силы, чем в другом, т.е. в цепи появится практически ток одного направления — произойдет выпрямление переменного тока.

Наряду с выпрямительными свойствами p-nпереход обладает емкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении емкость диода больше, чем при обратном. С увеличением обратного напряжения емкость диода уменьшается.

Изготовление

Один из способов изготовления диода состоит в следующем. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см²и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника сn-проводимостью, например, германия, расплавляют кусочек индия и помещают в печь. При высокой температуре (около 500⁰С) индий вплавляется в пластинку германия, образуя в ней область дырочной проводимости. К самой пластине германия и к затвердевшей «капле» индия припаивают два проволочных вывода электродов и прибор заключают в герметический и непрозрачный корпус, чтобы защититьp-nпереход от воздействия влаги и света. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости. Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника, чем меньше сопротивление диода в прямом направлении, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками.

Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию обычно припаиваются проволочки из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа. Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые р-n– переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов, существующих в переходе.

После сборки транзистора для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. Устройство и схематическое изображение полупроводникового диода:

VD

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n– переходов. Низкоомную область диодов называютэмиттером, а высокоомную –базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используютp-n-,p-i-,n-i– переходы, а также переходы металл-полупроводник. На рисунке 3 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

а) б)

Структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

Рисунок 3.

Общие сведения (по назначению и характеристикам)

Выпрямительные приборы довольно часто требуются в промышленности. Например выпрямители нужны для правильной работы бытовой техники (т.к. почти все электроприборы потребляют постоянное напряжение. Это телевизоры, радиоприёмники, видеомагнитофоны и т.д.). Также полупроводниковые диоды нужны для расшифровки видео, радио, фото и других сигналов в частотно-электрические сигналы, для детектирования слабых радиосигналов, например, в радиоприемниках, для выделения и обработки электрических сигналов в различных автоматических устройствах и ЭВМ. С помощью этого свойства полупроводников мы смотрим телевизор или слушаем радио.

Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Диоды обладают большой надежностью, но граница их применения от –70 до 125 С. Их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящие от прямого и обратного напряжения, и определяющие его выпрямляющие и прочностные свойства.

В радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами в настоящее время для выпрямления электрического тока все больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ.

_______________________________________________________________________________

В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси. Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленного тока более миниатюрны, чем ламповые.

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых диодов имеются существенные достоинства:

1. Малый вес и малые размеры.

2. Отсутствие затраты энергии на накал.

3. Большой срок службы (до десятков тысяч часов).

4. Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).

5. Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

Вместе с тем полупроводниковые диоды в настоящее время обладают следующими недостатками:

1. Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.

2. Свойства приборов сильно зависят от температуры.

3. Работа полупроводниковых диодов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Вольтамперная характеристика и параметры

Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики (ВАХ). В отличие от характеристики идеального р-n– перехода, описываемой соотношением

(пунктирная кривая на рис.4), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис.4) в области прямых напряжений Uрасполагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объемном сопротивлении базы диодаr. Токназываюттепловым током илиоб- ратным током насыщения. Это отличие от идеализированной кривой обусловлено тем, что тепловой токпри обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2-10 мА.

Прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет величину не выше десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при таком же малом напряжении, а сопротивление соответственно снижается до единиц Ом и меньше. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицы и десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен кОм и больше.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную ВАХ, сложно и нецелесообразно.

Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток , который измеряют при определенном значении обратного напряжения.

У германиевых диодов , у кремниевых. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для теплового тока справедлива зависимость

(*)

где тепловой ток при температурепостоянный коэффициент (для германияпри, для кремнияпри). С помощью выражения (*) можно ориентировочно определить обратный ток при разных температурах у германиевых диодов. В кремниевых диодах в диапазоне рабочих температур доля теплового тока в полном обратном токе невелика. Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды пользуются упрощенным выражением

,

где T* — приращение температуры, при котором обратный токудваивается (T*810^oCдля германия иT*67^oCдля кремния). В практике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в два раза, а кремниевых – в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10^оС. При этом фактическое изменение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.

С учетом падения напряжения на базе диода запишем уравнение прямой ветви ВАХ диода:

где r_б– омическое сопротивление базы диода. ВАХ кремниевого и германиевого диодов:

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объеме полупроводника. При достижении обратным напряжением определенного критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Падение напряжения на диоде зависит от токаI, протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым. Так как у кремниевых диодов тепловой токмал, то и начальный участок прямой ветви ВАХ значительно более пологий, чем у германиевых. При увеличении температуры прямая ветвь ВАХ становится более крутой из-за увеличенияи уменьшения сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее тому же значению прямого тока, при этом уменьшается, что оценивается с помощью температурного коэффициента напряжения:

.

показывает, насколько должно измениться напряжение на р-n– переходе при изменении температуры на 1^оС приI=const,=2,2 мВ/град.

Классификация

В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении:

— точечные диоды,

— сплавные,

— микросплавные,

— с диффузной базой,

— с эпитаксиальныеи др.

По функциональному назначениюдиоды делят на:

— выпрямительные

— универсальные

— импульсные

— смесительные

— детекторные

-модуляторные

— переключающие

— умножительные

— стабилитроны (опорные)

— туннельные

— параметрические

— фотодиоды

— светодиоды

— магнитодиоды

— высокочастотные

— диоды Ганна и т.д.

Существует много разновидностей полупроводниковых диодов, обладающих специальными свойствами. Стабилитрон— диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока, так что напряжение на диоде практически не меняется.Варикап— диод, емкостьp-nперехода которого зависит от значения приложенного к нему напряжения. Он может быть использован в качестве конденсатора, емкостью которого управляют, изменяя приложенное напряжение.

Есть еще и необычные полупроводниковые диоды – это светодиоды и фотодиоды. Фотодиоды пропускают ток только при попадании на их корпус света. А светодиоды при прохождении через них тока, начинают светиться. Цвет свечения светодиодов зависит от того, к какой разновидности он принадлежит. Фотодиод— полупроводниковый диод, в корпусе которого имеется окно для освещенияp-nперехода. Под действием света изменяется сопротивление диода и, следовательно, сила тока в его цепи. Кроме того, под действием света в диоде возникает электродвижущая сила, так, что освещенный фотодиод является источником электрической энергии.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из шести элементов. Первый элемент – буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Германий или его соединения обозначают буквой Г, кремний и его соединения – буквой К, соединения галлия – А. В приборах специального назначения буквы заменяются соответствующими цифрами: германий – 1, кремний – 2, соединения галлия – 3. Второй элемент – буква, обозначающая подклассы диода: выпрямительные, импульсные, универсальные – Д, варикапы – В, туннельные и обращенные диоды – И, стабилитроны – С, сверхвысокочастотные – А. Третий элемент – цифра, определяющая назначение диода: от 101 до 399 – выпрямительные; от 401 до 499 – универсальные; от 501 до 599 — импульсные. У стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеяния. Четвертый и пятый элементы – цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номинальное напряжение стабилизации). Шестой элемент – буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (приборы одного типа по значениям параметров подразделяются на группы). У стабилитронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки, например: КД215А, ГД412А, 2Д504А, КВ101А, КС168А и т. д.

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы в зависимости от их мощности, диапазона рабочих частот и напряжения.

По типу мощности различают выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности.

Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Мощные (силовые) диоды. К данному типу относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — это… Что такое ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД?



ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

двухэлектродный полупроводниковый прибор (на основе кремния, арсенида галлия, германия и др.), действие к-рого обусловлено св-вами р — п-перехода (наиболее обширный класс П. д.), контакта металл — полупроводник либо объёмными эффектами в однородном ПП (напр., Ганка диод). По конструктивно-технологич. особенностям различают плоскостные П. д., изготовленные методами диффузии и вплавления примесей, ионной имплантации, эпитаксиального наращивания, вакуумного напыления и др., и точечные П. д., получаемые прижатием к ПП кристаллу пружинящей металлич. иглы. П. д. применяются в широком диапазоне радиочастот (вплоть до сотен ГТц) гл. обр. для выпрямления пе- **

Поребрик (указан стрелкой)

К ст. Порошковая металлургия. Схема прокатки порошков в металлургическую ленту: 1 — бункер для порошка; 2 — валки для холодной прокатки; 3 — лента; 4 — печь для спекания; 5 — печи для отжига

рем. тока (выпрямит. ПП диоды), генерирования и усиления электрич. колебаний (напр., лавинно-пролётные, туннельные и параметрич. диоды), преобразования частоты (смесит. и умножит. СВЧ диоды), детектирования модулир. колебаний (детекторные СВЧ диоды), передачи импульсов в радиотехнич. и электронных устройствах (импульсные диоды), управления уровнем мощности в СВЧ линиях передачи (ограничит. и переключат. СВЧ диоды), а также для стабилизации напряжения (стабилитроны). Характеризуются малыми габаритными размерами, массой и потребляемой мощностью, возможностью управления параметрами в широких пределах, большим сроком службы, сильной температурной зависимостью параметров (у нек-рых типов П. д.) и т. д. Один из осн. электронных приборов.

Большой энциклопедический политехнический словарь. 2004.

• ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР
• ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

Смотреть что такое «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД» в других словарях:

• полупроводниковый диод — полупроводниковый диод; диод; отрасл. полупроводниковый вентиль Электропреобразовательный полупроводниковый прибор с электрическим переходом (переходами), имеющий два вывода. Примечание. 1. Полупроводниковый диод, предназначенный для работы в… …   Политехнический терминологический толковый словарь

• полупроводниковый диод — диод Ндп. полупроводниковый вентиль Полупроводниковый прибор с двумя выводами и несимметричной вольтамперной характеристикой. Примечание Если не указано особо, этим термином обозначают приборы с вольт амперной характеристикой, типичной для… …   Справочник технического переводчика

• Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p n перехода. Плоскостные p n переходы для… …   Википедия

• ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p n переходом, контактом металл полупроводник и др. Наиболее распространены… …   Большой Энциклопедический словарь

• ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — см. Диоды твердотельные. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 …   Физическая энциклопедия

• Полупроводниковый диод —         двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «П. д.» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей… …   Большая советская энциклопедия

• полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с р п переходом, контактом металл  полупроводник и др. Наиболее распространены… …   Энциклопедический словарь

• полупроводниковый диод — puslaidininkinis diodas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. semiconductor diode vok. Halbleiterdiode, f rus. полупроводниковый диод, m pranc. diode à semi conducteur, f; diode semi conductrice, f …   Automatikos terminų žodynas

• полупроводниковый диод — puslaidininkinis diodas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. semiconductor diode vok. Halbleiterdiode, f rus. полупроводниковый диод, m pranc. diode à semi conducteur, f; diode semi conductrice, f …   Fizikos terminų žodynas

• полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор на основе полупроводникового кристалла с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с р – n – переходом, контактом металл полупроводник и др.… …   Энциклопедия техники

Полупроводниковые диоды

Основой полупроводникового диода является р—n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р—n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.

Рис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р—n-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р—n-переход. Кремниевый р—n-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р—n-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (I_{пр. ср< 0,3 А), средней (0,3 А < Iпр. ср< 10 А) и большой (Iпp.ср> 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.}

Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р—n-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а, а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б.

Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь р—n-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости С_д между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (f_макс ? 300 МГц) и СВЧ (f_макс ? 300 МГц). Помимо статической емкости С_д точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.

Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: С_д и t_восст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения.

Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение U_{обр. пр,} то происходит лавинный пробой р—n-перехода,

при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения I_{ст. макс}, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя р—n-перехода.

К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации
U_ст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации I_{ст. ном} (см. рис. 1.8, а). Помимо I_{ст. ном} указываются также минимальное I_{ст. мини максимальное Iст. максзначения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от ширины р—n-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.}

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения u_вх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение u_вых остается практически неизменным.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р—n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р—n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p—n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость С_ном, определяемая при номинальном напряжений смещения (U_ном= 4 В), максимальная С_макс и минимальная С_минемкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости К_с= С_макс/С_мин), добротность Q, а также U_{обр.макс}.

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p—n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р—n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n— и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р—n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области р—n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р—n-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны – в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, определяемые равенствами (1.8), (1.9), возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком I_ф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой, в соответствии с выражением (1.10), тепловой ток I_o, обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n-типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Е_ф. Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях.

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р—n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Е_е в энергетическое состояние уровня Е_у с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (I_{пр.макс} = 1 мА – постоянный прямой ток, U_{обр.макс} = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.12 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.