Polovodičová zařízení - dioda. Princip činnosti a účel diod

Univerzální a pulzní diody

Univerzální (vysoká frekvence) diody slouží k převodu vysokofrekvenčních signálů. Puls polovodičové diody jsou určeny především pro provoz v pulzním a pulzním režimu (převod pulzních signálů). Tyto diody se vyznačují minimálními hodnotami reaktivních parametrů, kterých je dosaženo díky speciálním konstrukčním a technologickým opatřením.

Jeden z hlavních důvodů setrvačnosti polovodičových diod souvisí s difúzní kapacitou (viz § 3.7, 3.8). Ke zkrácení životnosti se používá dopování materiálu (například zlatem), což vytváří mnoho úrovní pastí v zakázaném pásmu, které zvyšují rychlost rekombinace.

Různé univerzální diody jsou dioda s krátkou bází. V takové diodě je délka báze menší než difúzní délka menšinových nosičů. V důsledku toho nebude difúzní kapacita určována životností menšinových nosičů na základně, ale skutečně kratší dobou pobytu (dobou letu). Je však technologicky velmi obtížné snížit tloušťku základny s velkou plochou přechodu p-n. Proto jsou vyráběné diody s krátkou základnou s malou plochou nízkopříkonové.

V současné době široce používané p-i-n diody, ve kterém jsou dvě silně dotované oblasti typu p a n odděleny poměrně širokou oblastí s vodivostí blízkou vlastní (i-oblasti). Náboje donorových a akceptorových iontů se nacházejí poblíž hranic i- oblasti. Rozložení elektrického pole v něm lze v ideálním případě považovat za rovnoměrné (na rozdíl od obvyklého p-n-přechodu). Tím pádem, i- oblast s nízkou koncentrací nosičů náboje, ale s dielektrickou konstantou, lze brát jako kondenzátor, jehož "desky" jsou úzké (vzhledem k vysoké koncentraci nosičů v R- A n-regiony) vrstvy poplatků dárců a příjemců. Kapacita bariéry kolík-dioda je určena rozměry i-vrstvě a s dostatečně širokou i-oblastí od nanesené konstantní napětí prakticky nezávislý.

Funkce práce kolík-dioda spočívá v tom, že propustným napětím jsou současně vstřikovány díry z p-oblasti a elektrony z n-oblasti do i-oblasti. Jeho přímý odpor přitom prudce klesá. Na zpětné napětí nosiče jsou extrahovány z i-regiony do sousedních regionů. Pokles koncentrace vede k dodatečnému zvýšení odporu i-oblasti oproti rovnovážnému stavu. Proto pro kolík-dioda se vyznačuje velmi velkým poměrem dopředných a zpětných odporů, což je důležité při jejich použití ve spínacích režimech.

Jako vysokofrekvenční univerzální diody se používají struktury se Schottkyho a Mottovými bariérami. V těchto zařízeních jsou procesy dopředného vedení určovány pouze většinou nosičů náboje. Uvažované diody tedy nemají difúzní kapacitu spojenou s akumulací a resorpcí nosičů náboje v bázi, která určuje jejich dobré vysokofrekvenční vlastnosti.

Rozdíl mezi Mottovou bariérou a Schottkyho bariérou je ten, že mezi kovem je vytvořena tenká i-vrstva M a silně dopovaný polovodič, takže je získána struktura M-i-n. V vysoká odolnost i-vrstva, veškeré napětí přivedené na diodu klesá, takže tloušťka ochuzené vrstvy v oblasti - je velmi malá a nezávisí na napětí. A proto je kapacita bariéry prakticky nezávislá na napětí a odporu báze.

Nejvyšší pracovní frekvenci mají diody s Mottovou a Schottkyho bariérou, které na rozdíl od p-n přechodu při průchodu stejnosměrného proudu téměř neakumulují drobné nosiče náboje v bázi diody a mají tedy krátkou dobu zotavení (asi 100 ps ).

Různé spínací diody jsou nábojové akumulační diody (CSC) nebo diody s ostrým obnovením zpětného proudu (odpor). Zpětný proudový impuls v těchto diodách má téměř obdélníkového tvaru(obr. 4.2). V tomto případě může být hodnota významná, ale pro použití DLP ve vysokorychlostních pulzních zařízeních musí být extrémně malá.

Získání krátkého trvání je spojeno s vytvořením vnitřního pole v základně v blízkosti vyčerpané vrstvy p-n přechodu pomocí nerovnoměrného rozložení nečistot. Toto pole se zpomaluje pro nosiče, které dorazily přes ochuzenou vrstvu při dopředném napětí, a proto brání vstřikovaným nosičům opustit hranici ochuzené vrstvy a nutí je, aby se koncentrovaly kompaktněji blízko hranice. Když se na diodu přivede zpětné napětí (jako u konvenční diody), náboj nahromaděný v bázi se pohltí, ale v tomto případě bude vnitřní elektrické pole již přispívat k driftu menšinových nosičů do vyčerpané přechodové vrstvy. V okamžiku, kdy koncentrace přebytečných nosičů na přechodových hranicích klesne na nulu, zbývající přebytečný náboj minoritních nosičů v bázi se velmi zmenší a v důsledku toho se čas pro pokles zpětného proudu na hodnotu ukáže jako malý.

Varicaps

Varicap nazývaná polovodičová dioda používaná jako elektricky řízená kapacita s dostatečně vysokým činitelem kvality v rozsahu pracovních frekvencí. Využívá nemovitost p-n- přechod ke změně kapacity bariéry působením vnějšího napětí.

Hodnota faktoru kvality varikapu na nízké frekvence ;

na vysoké frekvence –

Teplotní koeficient kontejnery , Kde DT A D- Změny teploty a kapacity varikapu.

Pro zvýšení kvalitativního faktoru varikapu se používá Schottkyho bariéra; tyto varikapy mají nízký ztrátový odpor, protože kov je použit jako jedna z vrstev diody.

Faktor jakosti oscilačního systému charakteristika rezonančních vlastností systému, která ukazuje, kolikrát amplituda vynucených oscilací při rezonanci převyšuje amplitudu při jeho nepřítomnosti. Čím vyšší je kvalitativní faktor oscilačního systému, tím menší ztráty energie v něm za období.

Hlavní aplikací varikapů je elektrické frekvenční ladění oscilačních obvodů. Závislost jeho kapacity na napětí odráží kapacitně-napěťovou charakteristiku, podobně jako závislost kapacity bariéry pn-přechod ze zpětného napětí, které je na něj aplikováno. V současné době se používá několik druhů varicaps různá zařízení nepřetržité působení. Jedná se o parametrické diody určené k zesilování a generování mikrovlnných signálů a multiplikační diody určené k násobení frekvence v širokém frekvenčním rozsahu. Někdy se v násobicích diodách používá také difúzní kapacita.

polovodičové materiály. Struktura, spojení atomů v krystalové mřížce. Vznik nosičů náboje ve vlastních a příměsových polovodičích.

Polovodiče jsou zpravidla pevné látky s pravidelnou krystalovou strukturou (jednokrystaly). Jejich krystalová mřížka se skládá z mnoha opakujících se a na sebe navazujících elementárních buněk.

Odrůdy kubické mřížky:

Jednoduchá krychlová mřížka

Krychlová mříž centrovaná na tělo

-kubická plošně centrovaná mříž

- diamantový typ mřížky

kontaktní jevy. Klasifikace. Přechod elektron-díra. Vzdělání, princip práce r-p přechody v rovnovážných a nerovnovážných stavech. Voltampérové ​​charakteristiky. Účinek elektrické pole.

Přechody mezi dvěma oblastmi polovodiče s různými typy elektrické vodivosti se nazývají elektronová díra nebo R- n-přechody . .

Analýza rovnováhy p-n- přechod

Výška bariéry rovnovážného potenciálu je určena rozdílem elektrostatických potenciálů v R- A n- Dj o = j Ep – j En .

Dj o = j T ln ( n n o p o / n i 2)

rovnovážná výška potenciální bariéry je určena poměrem koncentrací nosičů stejného typu (elektronů nebo děr) na obou stranách přechodu, na jeho hranicích:

Dj o = j T ln ( n n o / n p o);Dj o = j T ln (p p o / p no) šířka potenciální bariéry v asymetrickém přechodu:

hle= Ö(2e o eDj o) / ( qN) ,

rovnovážná šířka hladký přechod v tomto tvaru: l o = 3 Ö(9e o eDj o) / (qN"), kde N" je efektivní koncentrační gradient. Jelikož je gradient v obou částech přechodu stejný, je stejná i šířka hle rovnoměrně rozděleny mezi n- A R-vrstvy, tj. plynulý přechod je symetrický.

Analýza nerovnováhy p-n- přechod

Pokud se připojte Zdroj EMF U mezi R- A n- vrstvy, pak bude narušena přechodová rovnováha a obvodem poteče proud. Rezistivita ochuzené vrstvy je mnohem vyšší než měrný odpor neutrálních vrstev, takže vnější napětí na přechodu téměř úplně klesne, což znamená, že změna výšky potenciálové bariéry se rovná hodnotě aplikovaného emf.

Když EMF U připojeno plus k R- vrstva se výška bariéry zmenšuje

DJ \u003d DJ o - U.

Napětí této polarity je přímé. Na negativní potenciál p- vrstva, výška bariéry se zvýší a znaménko mínus by se mělo změnit na plus.

šířka nerovnovážné bariéry ve formě

l = Ö(2e o e(Dj o – U)) / (qN).

polovodičové diody. Klasifikace. Usměrňovací polovodičová dioda, zenerova dioda, LED, fotodioda, Schottkyho dioda. Princip činnosti, vlastnosti, parametry, rozsahy diod.

polovodičová dioda nazývané polovodičové zařízení s jedním elektrickým p-n- přechod a dva výstupy. Polovodičové diody využívají vlastnosti jednostranného vedení p-n křižovatka a - kontakt mezi polovodiči s různými typy vodivosti nečistot nebo mezi polovodičem a kovem. Záleží na technologických postupů používané při jejich výrobě, rozliš bodové diody, plovoucí A mikroslitina, s difuzní základnou, epitaxní atd. Podle funkčního určení se diody dělí na usměrňovač, univerzální, pulzní, spínací, násobič, zenerovy diody (referenční), tunelové, parametrické, fotodiody, LED, magnetodiody, atd.

Většina polovodičových diod je vyrobena na bázi nevyvážených p-n- přechody. Oblast nízkého odporu diod se nazývá emitor a vysoká odolnost - základna. Chcete-li vytvořit přechody s vlastnostmi brány, použijte p-n-, p-i, n-i- přechody, stejně jako přechody kov-polovodič.

Usměrňovací diody navržený ke konverzi střídavý proud do trvalého.

Pulzní diody mají krátké trvání přechodné jevy a navrženy tak, aby fungovaly impulsní obvody. Od usměrňovacích diod se liší malými kapacitami p-n přechodu (zlomky pikofaradů) a řadou parametrů, které určují přechodové charakteristiky diody.

Schottkyho dioda - polovodičová dioda s nízkým úbytkem napětí při přímém zapojení.

Světelná dioda- polovodičová součástka s přechodem elektron-díra, která při průchodu elektrického proudu vytváří optické záření. Vyzařované světlo leží v úzkém rozsahu spektra. Jeho spektrální charakteristiky závisí do značné míry na chemické složení v něm použité polovodiče.

Fotodioda- přijímač optického záření, který přeměňuje světlo dopadající na jeho fotocitlivou oblast elektrický náboj v důsledku procesů v p-n přechodu.

Princip fungování:

Při vystavení kvantům záření v bázi se generují volné nosiče, které spěchají na hranici p-n přechodu. Šířka základny (n-oblast) je vytvořena tak, že otvory nemají čas na rekombinaci před přesunem do p-oblasti. Proud fotodiody je určen proudem menšinových nosičů - driftovým proudem. Rychlost fotodiody je dána rychlostí oddělení nosičů polem p-n přechodu a kapacitou p-n přechodu C p-n

Fotodioda může pracovat ve dvou režimech:

fotovoltaické - bez vnějšího napětí

fotodioda - s externím zpětným napětím

Zenerova dioda- polovodičová dioda určená ke stabilizaci napětí.

Varicap je nelineární řízený kondenzátor. U polovodičových diod je závislost bariérové ​​kapacity na napětí nelineární, takže jakékoli polovodičové zařízení s p-n- přechodu lze v zásadě použít jako napěťově řízený kondenzátor.

V tunelových diodách procházejí nosiče náboje potenciálovou bariérou v důsledku tunelového efektu.

Impulsní vlastnosti diod. Vysvětlete vlastnosti a vysvětlete jak fyzikální jevy tyto vlastnosti jsou podmíněny.

Pulzní diody mají krátkou dobu trvání přechodových jevů a jsou navrženy pro práci v pulzních obvodech. Od usměrňovacích diod se liší malými kapacitami. p-n- přechodu a řadu parametrů, které určují přechodové charakteristiky diody. Snížení kapacit je dosaženo zmenšením plochy p-n- přechodu, proto je jejich přípustný ztrátový výkon malý (30–40 mW).

Hlavní parametry pulzních diod:

● Celková kapacita dioda S e, (zlomky pF - několik pF);

● maximální impulsní dopředné napětí U pr a max;

● maximální přípustný rázový proud já pr a max;

● doba nastavení propustného napětí diody t pusa

● doba obnovy reverzního odporu diody t vos

Přítomnost doby zotavení je způsobena nábojem nahromaděným v základně diody během injekce. Pro uzamčení diody je nutné tento náboj „zlikvidovat“. K tomu dochází v důsledku rekombinací a zpětného přechodu nehlavních nosičů náboje k emitoru.

Ve vysokorychlostních pulzních obvodech se hojně používají Schottkyho diody (DS), u kterých je přechod proveden na bázi kontaktu kov-polovodič. Struktura DS je znázorněna na Obr. 3.2 E. Tyto diody nepotřebují čas na akumulaci a rozptýlení náboje v základně. V DS je tok proudu prováděn hlavními nosiči náboje a nevede ke vzniku vstřikovacích procesů nehlavních nosičů s jejich následnou resorpcí při přepnutí napětí z přímého na reverzní.

Navíc jejich výkon závisí pouze na rychlosti procesu dobíjení kapacity bariéry. Proudově-napěťová charakteristika LH se podobá charakteristice diod založených na p-n- přechody. Rozdíl je v tom, že přímá větev během 8–10 dekád (dekáda je 10násobná změna hodnoty) aplikovaného napětí představuje téměř ideální exponenciální křivku a zpětné proudy jsou malé (zlomky - desítky nA).

charakteristické rysy LH jsou: vysoká rychlost, nízký pokles napětí s předpětím (0,3–0,4 V), vysoká účinnost usměrnění a široké možnosti použití jako doplňkové prvky v návrzích různých tranzistorů a dalších polovodičových součástek za účelem rozšíření funkčnost. Schottkyho diody se také používají ve vysokoproudých usměrňovačích a v logaritmických zařízeních.

bipolární tranzistory. Struktura, princip činnosti, provozní režimy tranzistorů, spínací obvody tranzistorů. Integrovaný multiemitorový bipolární tranzistor. Struktura, princip činnosti, použití. Bipolární tranzistory v klíčových a analogových obvodech.

bt volala polovodičová zařízení se dvěma nebo více interagujícími elektrické p-n přechody a tři nebo více kolíků. Jejich zesilovací vlastnosti jsou způsobeny jevy injekce a extrakce malých nosičů náboje: injekce z E do B, extrakce z B do C.

Výkres strana 133

Princip činnosti bipolární tranzistor je založen na změně odporu reverzně vychýleného p-n přechodu v důsledku vstřikování nosičů náboje.

Provozní režimy

Bez ohledu na spínací obvod mohou tranzistory pracovat v jednom ze čtyř, lišících se polaritou napětí na přechodu EB a BC:

1) Normální aktivní režim- E-křižovatka povolena v dopředném směru, K-křižovatka v opačném směru

2) Režim saturace - E- a K-přechody jsou zahrnuty v dopředném směru

3) Cut-off mód - E- a K-přechody jsou zapnuty v opačném směru

4) Inverzní aktivní režim - E-přechod je zapnutý ve zpětném směru, K-přechod je zapnutý v dopředném směru.

Hlavním parametrem bipolárního tranzistoru je koeficient přenosu proudu emitoru:

Blízko 1. Určeno 2 parametry, kde koeficient vstřiku, koeficient B-přenosu.

Stručné informace

Přechodová vlastnost k použití

• Usměrňovač - asymetrie proudově-napěťové charakteristiky
• Zenerova dioda - průraz
• Varicap - bariérová kapacita
• Puls - přechodné děje

Usměrňovací diody

Popis práce

Varicaps

Popis práce

zenerovy diody

Pulzní diody

Ve vazbě

Puls diody jsou navrženy pro vysokorychlostní provoz pulzní obvody. Hlavními charakteristickými znaky pulzních diod, ale i vysokofrekvenčních, je malá plocha okres přechod a krátká životnost nerovnovážných nosičů náboje. Hlavním parametrem pulzních diod je doba zotavení zpětného odporu t slunce, definovaná jako čas, během kterého dioda přejde do stavu vypnuto, když se polarita napětí na diodě změní z přímé na reverzní. U pulzních diod jsou uvedeny stejné parametry, které jsou charakteristické pro usměrňovací diody. Konstrukce a technologie výroby pulzních diod jsou podobné konstrukci a technologii výroby konvenčních vysokofrekvenčních diod. Ve vysokorychlostních pulzních obvodech jsou široce používány Schottkyho diody, jejichž spojovací plocha je obvykle 20-30 mikronů v průměru a bariérová kapacita nepřesahuje 1 pF. Charakteristickým rysem Schottkyho diod je absence injekce vedlejších nosičů náboje do polovodiče, proto je hlavním faktorem ovlivňujícím dobu trvání přechodových procesů přebíjení pouze bariérové ​​kapacity. Schottkyho diody mohou pracovat na frekvencích až 15 GHz a jejich spínací doba je asi 0,1 ns.

V pulsních obvodech, které generují pulsy se strmými čely, se používají nabíjecí akumulační diody (DCS). U těchto diod je nečistota v základně rozložena nerovnoměrně: její koncentrace je větší v hloubce základny a méně blízko okres přechod, jehož výsledkem je vnitřní elektrické pole. Toto pole zabraňuje pronikání do hloubky základny otvorů vstřikovaných při propustném napětí z R-regionů k základně, tedy zajišťuje jejich seskupení v blízkosti hranic okres přechod. Kromě toho toto pole pod zpětným napětím přispívá k uvolnění báze od vedlejších nosičů, v důsledku čehož t slunce desítekkrát a negativní ráz proudového pulzu se ukáže jako téměř pravoúhlý.

V současné době jsou diody s kolík-struktura. U těchto diod silně dopovaných R A P oblasti jsou odděleny dostatečně širokou oblastí s vlastní vodivostí. Elektrické pole funguje pouze v i- plochy a je téměř homogenní. Kapacita bariéry kolík dioda kvůli šíř i- oblast je malá a slabě závisí na napětí aplikovaném na diodu.

Funkce práce kolík- dioda je následující. Za prvé, během dopředného zkreslení jsou elektrony injektovány z P-plochy a otvory z R- oblasti v i- oblast, což vede k prudkému poklesu propustného odporu diody. Za druhé, současní dopravci v já- Regiony se pohybují nejen díky difúzi, ale také driftu v poli, což zvyšuje jejich rychlost a zkracuje dobu přenosu aktuálního nosiče. Oba tyto faktory zvyšují hodnotu maximální frekvence provoz takových diod. Při obrácení napětí dochází k intenzivnímu vytahování nosičů z i- plocha, což vede k dodatečnému zvýšení zpětného odporu. Tak pro kolík diody se vyznačují velkým poměrem zpětného a propustného odporu, což určuje jejich dobré impulsní vlastnosti ve spínacím režimu činnosti. Navíc takové diody mohou spínat dostatečně pulzně vysoký výkon až několik desítek kW.

Jako pulzní diody se používají mesadodách. Jejich předností je technologie výroby. Při výrobě těchto diod selektivním leptáním vznikají kónické výstupky - tabulky, nazývané "meses". Tato technologie to umožňuje r-p přechody s velmi malou plochou a nízkou kapacitou přechodu a tedy krátkými spínacími časy

Obr.1.4. Návrhy dvou typů pulzních diod

Konvenční grafické označení pulzní diody je stejné jako u usměrňovače, možná provedení pulzních diod jsou na obrázku 1.4.

Kontrolní otázky

1. Uveďte klasifikaci polovodičových diod.

2. Jak teplota ovlivňuje charakteristiku proudového napětí germaniových a křemíkových usměrňovacích diod?

3. Jaké jsou hlavní parametry usměrňovacích diod.

4. Jaké jsou požadavky na vysokofrekvenční a pulzní diody?

5. Jaká je zvláštnost práce p-i-p diody a diody pro uchování náboje (DNZ)?

Pulzní dioda- Jedná se o polovodičovou diodu s krátkou dobou trvání přechodových jevů a je určena pro použití v pulzních provozních režimech.

Pulzní režimy- jedná se o takové režimy, kdy diody přepínají ze stejnosměrného napětí na reverzní, po krátkých časových intervalech řádově zlomků mikrosekundy, přičemž důležitá role hrají zde přechodné procesy. Hlavním účelem pulzních diod je pracovat jako spínací prvky. Provozní podmínky pulzních diod jsou obvykle vysoká úroveň injekci, tzn. poměrně velké stejnosměrné proudy. V důsledku toho jsou vlastnosti a parametry pulzních diod určovány přechodovými jevy.

Jedním z prvních, který byl vyvinut, byl návrh bodové pulzní diody (obr. 2.11). Bodová dioda se skládá z germaniového krystalu připájeného k držáku krystalu, kontaktní elektrody ve formě tenkého drátku a skleněné baňky. Vlastností bodových diod je velký odpor báze, což vede ke zvýšení propustného napětí na diodě.

Vzhledem k nedostatkům bodových diod jsou téměř zcela nahrazeny pulzními diodami, jejichž výroba je založena na moderních produktivních a řízených metodách formování p–n- přechody ( planární technologie epitaxní růst). V tomto případě slouží jako hlavní výchozí polovodičový materiál křemík a někdy i arsenid galia.

Pro urychlení přechodových procesů v křemíkových pulzních diodách a pro snížení hodnoty doby zotavení zpětného odporu těchto diod se do výchozího křemíku zavádí nečistota zlata. Tato nečistota zajišťuje výskyt energetických hladin rekombinačních pastí v zakázaném pásmu křemíku a snížení životnosti menšinových nosičů.

V současné době má většina provedení kovokeramické, kovoskleněné nebo kovové pouzdro s páskovými vývody.

Zvažte proces přepínání takové diody, když je vystavena obdélníkový puls(obr. 2.12).

Při propustném napětí v sekci 0 ... t 1 jsou nosiče injektovány z oblasti emitoru do oblasti báze a tam se hromadí. Když se polarita napětí v prvním okamžiku obrátí, zpětný proud bude významný a zpětný odpor diody se prudce sníží, protože menšinové nosiče nahromaděné v základně pod vlivem změněného směru síly elektrického pole budou začít se pohybovat směrem p–n-přechod, tvořící zpětný proudový impuls. Jak se pohybují do oblasti emitoru, jejich počet se snižuje a po chvíli zpětný proud dosáhne normální ustálené hodnoty a odpor diody v opačném směru se obnoví na normální hodnotu.

Proces snižování nahromaděného náboje v bázi se nazývá resorpce a doba, během které se změní zpětný proud z maximální hodnota do ustáleného stavu se nazývá reverzní rezistence nem recovery. Doba obnovy reverzního odporu je jednou z nejdůležitější parametry impulsní diody. Čím je menší, tím je dioda lepší. Pro zlepšení vlastností pulzních diod se volí výchozí polovodič s krátkou životností nosičů náboje (pro intenzivnější rekombinační proces v bázi), popř. p–n- přechod je proveden s malou plochou, aby se snížila hodnota bariérové ​​kapacity přechodu.

Závěry:

1. Pulzní diody pracují v režimu elektronického klíče.

2. Doba trvání pulsů může být velmi malá, takže dioda musí velmi rychle přecházet z jednoho stavu do druhého.

3. Hlavním parametrem charakterizujícím rychlost pulzních diod je doba zotavení zpětného odporu.

4. Ke snížení se používají speciální opatření, která urychlují proces resorpce minoritních nosičů náboje v bázi.

5. Požadavky na pulsní diody dobře splňují diody založené na Schottkyho bariéře, které mají velmi nízkou setrvačnost díky absenci injekce a hromadění vedlejších nosičů náboje v bázi.