Реферат: Полупроводниковые диоды

На основе использования свойств р-n-перехода в настоящее время создано множество различных типов полупроводниковых диодов.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Их основные параметры: Iпр max -максимальный прямой ток; Vпр - падение напряжения на диоде при прямом смещении и заданном токе; Iобр -ток через диод при обратном смещении и заданном напряжении; Vобр max - максимальное обратное напряжение; f-диапазон частот, в котором выпрямленный ток не снижается меньше заданного уровня.

По величине выпрямленного тока выпрямительные диоды малой(Iпр < 0, 3А), средней (0, 3 A <Iпр >10 А) и большой (Iпр >10A) мощности. Для создания выпрямительных диодов применяются плоскостные p-n-переходы, полученные сплавлением и диффузией. Высокие значения Iпр обеспечиваются использованием p-n-переходов с большой площадью.

Большие значения Vобр max достигаются использованием в качестве базы диода материала с высоким удельным сопротивлением. Наибольшие значения Vобр max могут быть получены при использовании p-i-n-диода, так ширина области объемного заряда в нем наибольшая, а следовательно, наибольшее и значение напряжение пробоя. Так как с изменением температуры Vобр max изменяется, то его значение дается для определенной температуры (обычно комнатную) .

При больших Iпр в диоде, вследствие падения напряжения на нем, выделяется тепло. Поэтому выпрямительные диоды отличаются от остальных типов диодов большими размерами корпуса и внешних выводов для улучшения теплоотвода.

Выпрямительные диоды изготавливают в настоящее время в основном из кремния и германия. Кремниевые диоды позволяют получать высокие обратные напряжения пробоя, так как удельное сопротивление собственного кремния (p 10 Ом см) много больше удельного сопротивления собственного германия(p 50 Ом см). Кроме этого, кремниевые диоды оказываются работоспособными в большем интервале температур (-60. . . +125С), поскольку ширина запрещенной зоны в кремнии(1, 12эВ)больше, чем в германии(0, 72эВ), а следовательно, обратный ток меньше(1, 46).

Германиевые диоды работоспособны в меньшем интервале температур(-60. . . +85C), однако их выгоднее применять при выпрямлении низких напряжений, так как Vпр для германиевых диодов(0, 3. . . 0, 8 B ) меньше , чем для кремниевых(до 1, 2В). Следовательно, меньше будет и мощность, рассеиваемая внутри германиевого диода.

Полупроводниковые диоды, на вольт-амперной характеристике которых имеется участок со слабой зависимостью напряжения от тока, называются стабилитронами. Таким участком является участок пробоя p-n-перехода. Для изготовления стабилитронов используют кремний, так как обратный ток кремниевых диодов, по сравнению с германиевыми, меньше зависят от температуры, а следовательно, вероятность теплового пробоя в них меньше и напряжение на участке пробоя (лавинного или туннельного)почти не изменяется с изменением тока.

Основные параметры стабилитронов:Vст-напряжение стабилизации; Iст min-минимальный ток, с которого начинается стабилизация напряжения; Rд=dV/dI-дифференциальное сопротивление (в рабочей точке); Rстат=V/I-статическое сопротивление (в рабочей точке); Q=Rд/Rстат-коэффициент качества; ТНК=(1/Vст)(dVст/dT)-температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Стабилитроны изготавливаются с различными значениями Vст, от 3 до 200 В.

Для диодов с Vст>7В ширина p-n-перехода достаточно велика и механизм пробоя лавинный. С ростом температуры обратный ток диода увеличивается, так-же увеличивается и напряжение пробоя. Это обусловлено тем, что тепловое рассеяние увеличивается, длина свободного пробега носителей уменьшается и к p-n-переходу требуется приложить большее напряжение, чтобы носители заряда на большем пути (равном длине свободного пробега) набрали кинетическую энергию, достаточную для ионизации.

В диодах с Vст<7В ширина p-n-перехода мала и наряду с лавинным механизмом действует и туннельный.

Конструктивно стабилитроны изготавливаются подобно выпрямительным диодам, и их можно использовать вместо диодов.

Импульсные Диоды

Импульсными называются диоды, которые могут работать с временами переключения 1 мкс и меньше. Высокочастотными выпрямительные диоды, предназначенные для работы на частотах до 150 МГц и выше.

Большое влияние на характеристики p-n-перехода на высоких частотах оказывает зарядная емкость. Ее влияние проявляется в шунтировании p-n-перехода на высоких частотах и ухудшении выпрямляющих свойств. В импульсных диодах наличие зарядной емкости приводит к искажению формы импульса. Поэтому импульсные и высокочастотные диоды характеризуются как малым значением диффузионной емкости так и малым значением зарядной емкости. Малое значение зарядной емкости достигается уменьшением площади p-n-перехода. Поэтому основная конструктивная задача заключается в уменьшении площади p-n-перехода.

Для изготовления импульсных и высокочастотных диодов используют германий и кремний. Преимуществом диодов из германия является малое значение падения напряжения на диоде при прямом смещении, что существенно при работе диодов при малых сигналах.

Представляет интерес создание импульсных и высокочастотных диодов на основе гетеропереходов с одним типом проводимости, например, n1-n2.

Если работа выхода электронов из широкозонного полупроводника меньше, чем из узкозонного, то энергетическая диаграмма n1-n2гетероперехода может быть представлена в виде (Рис. 1)

Рис. 1

При подаче напряжения на гетеропереход, например положительного на n2, а отрицательного на n1-полупроводник, электроны из n1-полупроводника смогут переходить в n2-полупроводник. Через гетеропереход протекает ток, и такую полярность внешнего напряжения можно назвать прямой.

При обратном смещении электроны из n2-полупроводника будут скатываться в потенциальную яму перед переходом, пройти который они не могут, так как перед ними находится потенциальный барьер. Обратный ток может образоваться только за счет туннельного перехода электронов из n2-полупроводника через потенциальный барьер и за счет перехода дырок из n1- в n2-полупроводник. Для его уменьшения первый полупроводник должен быть достаточно сильно легирован, чтобы концентрация неосновных носителей была мала, а ширина перехода должна быть достаточно большой, чтобы электроны из n2-полупроводника не смогли туннелировать через потенциальный барьер.

Диоды Шоттки

Для создания диодов Шоттки используется контакт метал-полупроводник. Диоды Шоттки отличаются тем, что их работа основана на переносе основных носителей. При прямом смещении электроны из полупроводника переходят в металл. Их энергия на больше энергии электронов в металле. Электроны из полупроводника быстро (примерно за 10 с) теряют на соударениях свою избыточную энергию и не могут возвратиться в полупроводник. В диодах Шоттки не происходит накопления заряда неосновных носителей (обуславливающее снижение быстродействия p-n-перехода), поэтому они особенно перспективны для использования в качестве сверхбыстродействующих импульсных и высокочастотных диодов. Типичное время восстановления обратного сопротивления диода Шоттки на основе, например Au-Si, порядка 10 пс и менее.

Фотодиоды

Если подать на диод обратное смещение, он может использоваться в качестве фотоприемника, ток которого зависит от освещения. При достаточно больших обратных напряжениях вольт-амперная характеристика (рис. 2) запишется так:

I=-( Iнас+ Iф)=- Iнас- qcB SФ

т. е. ток не зависит от напряжения, а определяется только интенсивностью света.

Рис. 2

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--