Полупроводниковые приборы — диод. Принцип работы и назначение диодов

Универсальные и импульсные диоды

Универсальные (высокочастотные ) диоды применяются для преобразования высокочастотных сигналов. Импульсные полупроводниковые диоды предназначены преимущественно для работы в и им­пульсных режимах (преобразования импульсных сигналов). Эти диоды характеризуются мини­мальными значениями реактивных параметров, что достигается благо­даря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью (см. § 3.7, 3.8). Для уменьшения времени жизни используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в за­прещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации.

Разновидностью универсальных диодов является диод с корот­кой базой . В таком диоде протяженность базы меньше диффузион­ной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носи­телей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (вре­менем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади р-n-перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площа­ди являются маломощными.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой , в которой две сильнолегированные области р- и n-типа разде­лены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i -области. Распределение электричес­кого поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n-перехода). Таким образом, i -область с низ­кой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектриче­ской проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в р - и n -областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная ем­кость p-i-n -диода определяется размерами i -слоя и при достаточно широкой i-области от приложенного постоянного напряжения прак­тически не зависит.

Особенность работы р-i-n -диода состоит в том, что при прямом напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое со­противление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i -области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротив­ления i-области по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для p-i-n -диода характерно очень большое отношение прямого и об­ратного сопротивлений, что важно при использовании их в переклю­чательных режимах.

В качестве высокочастотных универсальных диодов использу­ются структуры с барьерами Шотки и Мотта. В этих приборах про­цессы прямой проводимости определяются только основными носи­телями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутст­вует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие вы­сокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шотки состоит в том, что тон­кий i-слой создан между металлом М и сильно легированным полу­проводником , так что получается структура M-i-n. В высокоомном i -слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщи­на обедненного слоя в -области очень мала и не зависит от напря­жения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от на­пряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шотки, которые в отличие от р-n-перехода почти не накаплива­ют неосновных носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоп­лением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обрат­ного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму (рис. 4.2). При этом значение может быть значительным, но должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Получение малой длительности связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя р-n-перехода путем неравномерного распре­деления примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришед­ших через обедненный слой при пря­мом напряжении, и поэтому препятст­вует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их компактнее концентрироваться вблизи грани­цы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способство­вать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехо­да. В момент , когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный за­ряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время спадания обратно­го тока до значения .

Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, используе­мый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем исполь­зуется свойство р-n- перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения.

Значение добротности варикапа на низких частотах ;

на высоких частотах –

Температурный коэффициент емкости , где DТ и D – изменения температуры и емкости варикапа.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шотки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Добротность колебательной системы характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду при его отсутствии. Чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии в ней за период.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка частоты колебательных контуров. Зависимость его емкости от напряжения отражает вольт-фарадная характеристика, подобная зависимости барьерной емкости p-n -перехода от приложенного к нему обратного напряжения. В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и ум-ножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах ис­пользуется и диффузионная емкость.

Полупроводниковые материалы. Структура, связь атомов в кристаллической решеткою. Образование носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках.

Полупроводниками являются, как правило, твердые тела срегулярной кристаллической структурой (монокристаллы). Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек.

Разновидности кубической решетки:

Простая кубическая решетка

Кубическая объемо-центрированная решетка

-кубическая гранецентрированная решетка

-решетка типа алмаз

Контактные явления. Классификация. Электронно-дырочный переход. Образование, принцип работы р-п перехода в равновесном и неравновесном состояниях. Вольт-амперные характеристики. Эффект электрического поля.

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или р- n-переходами . .

Анализ равновесного р-n- перехода

Высота равновес­ного потенциального барьера определяется разностью электроста­тических потенциалов в р- и n- Dj o = j Ep – j En .

Dj o = j Т ln (n n о р р o / n i 2)

равновесная высота потенциального барьера определяется отноше­нием концентраций однотипных носителей (электронов или дырок) по обе стороны перехода, на его границах:

Dj o = j Т ln (n n о / n р o );Dj o = j Т ln (p p о / p no)ширина потенциального барьера в несимметричном переходе:

l o = Ö(2e o eDj o) / (qN ) ,

ширина равно­весного плавного перехода в следующем виде:l o = 3 Ö(9e o eDj o) / (qN"), где N" - градиент эффективной концен­трации. Поскольку градиент одинаков в обеих частях перехода, то и ширина l o делится поровну между n- и р -слоями, т. е. плавный переход симметричен.

Анализ неравновесного р-n- перехода

Если подключить источник ЭДС U между р- и n- слоями, то равновесие пе­рехода нарушится и в цепи потечет ток. Удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления ней­тральных слоев, поэтому внешнее напряжение практически полностью падает на пере­ходе, а значит, изменение высоты потенциального барь­ера равно значению при­ложенной ЭДС.

Когда ЭДС U приложена плюсом к р- слою, высота барьера уменьшается

Dj = Dj о – U .

Напряжение такой полярности является прямым. При отри­цательном потенциале на p- слое высота барьера увеличивается и знак минус следует изменить на плюс.

ширину неравновесного барьера в виде

l = Ö(2e o e(Dj o – U )) / (qN ).

Полупроводниковые диоды. Классификация. Выпрямительный полупроводниковый диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, диод Шоттки. Принципы работы, характеристики, параметры, области применения диодов.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n- переходом и двумя выводами. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода - контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом. В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды , сплавные и микросплавные , с диффузионной базой , эпитаксиальные и др. По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные , универсальные, импульсные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды, и т. д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n- переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером , а высокоомную – базой . Для создания переходов с вентильными свойствами используют р-n- , р-i , n-i- переходы, а также переходы металл – полупроводник.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода.

Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.

Светодиод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников.

Фотодиод - приёмник оптического излучения , который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей - дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

· фотогальванический - без внешнего напряжения

· фотодиодный - с внешним обратным напряжением

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Варикап – нелинейный управляемый конденсатор. В полупроводниковых диодах зависимость барьерной емкости от напряжения нелинейна, поэтому любой полупроводниковый прибор с р-n- переходом, в принципе, может быть использован как конденсатор с емкостью, управляемой напряжением.

В туннельных диодах носители заряда проходят сквозь потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.

Импульсные свойства диодов. Пояснить на характеристиках и объяснить, какими физическими явлениями эти свойства обусловлены.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n- перехода и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р-n- перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30–40 мВт).

Основные параметры импульсных диодов:

● общая емкость диода С д, (доли пФ – несколько пФ);

● максимальное импульсное прямое напряжение U пр и мах;

● максимально допустимый импульсный ток I пр и мах;

● время установки прямого напряжения диода t уст

● время восстановления обратного сопротивления диода t вос

Наличие времени восстановления обусловлено зарядом, накопленным в базе диода при инжекции. Для запирания диода этот заряд должен быть «ликвидирован». Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода не основных носителей заряда в эмиттер.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (ДШ), в которых переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. Структура ДШ показана на рис. 3.2 е . У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. В ДШ токопрохождение осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции не основных носителей с последующим рассасыванием их при переключении напряжения с прямого на обратное.

Кроме того, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольтамперная характеристика ДШ напоминает характеристику диодов на основе р-n- переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8–10 декад (декада – изменение значения в 10 раз) приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли – десятки нА).

отличительными особенностями ДШ являются: высокое быстродействие, малое падение напряжения при прямом смещении (0,3–0,4 В), высокий КПД выпрямления и широкие возможности использования в качестве дополнительных элементов в конструкциях различных транзисторов и других полупроводниковых приборов с целью расширения функциональных возможностей. Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Биполярные транзисторы. Структура, принцип действия, режимы работы транзистора, схемы включения транзистора. Интегральный многоэмиттерный биполярный транзистор. Структура, принцип действия, применение. Биполярные транзисторы в ключевых и аналоговых схемах.

БТ называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n переходами и тремя или более выводами. Их усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда: инжекция из Э в Б, экстракция из Б в К.

Рисунок стр. 133

Принцип работы биполярного транзистора основан на изменении сопротивления обратно смещенного p-n перехода за счет инжекции носителей заряда.

Режимы работы

Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:

1)Нормальный активный режим - Э-переход включен в прямом направлении, К-переход в обратном направлении

2)Режим насыщения – Э- и К-переходы включены в прямом направлении

3)Режим отсечки - Э- и К-переходы включены в обратном направлении

4)Инверсный активный режим - Э-переход включен в обратном направлении, К-переход включен в прямом направлении.

Основным параметром биполярного транзистора является коэффициент передачи эмиттерного тока:

Близок к 1. Определяется 2-мя параметрами , где коэффициент инжекции, В-коэффициент переноса.

Краткая справка

Используемое свойство перехода

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

Выпрямительные диоды

Описание работы

Варикапы

Описание работы

Стабилитроны

Импульсные диоды

В заключении

Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах. Основными отличительными особенностями импульсных диодов, так же как и высокочастотных, является малая площадь р-n перехода и малое время жизни неравновесных носителей заряда. Основным параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления t вос , определяемое как время, в течение которого диод переходит в запертое состояние при мгновенном изменении полярности напряжения на диоде с прямого на обратное. Для импульсных диодов указывают такие же параметры, характерные для выпрямительных диодов. Конструкция и технология изготовления импульсных диодов аналогичны конструкции и технологии изготовления обычных высокочастотных диодов. В быстродействующих импульсных схемах широко используют диоды Шоттки, площадь перехода которых обычно составляет 20-30 мкм в диаметре, а барьерная емкость не превышает 1 пФ. Особенностью диодов Шоттки является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда в полупроводник, поэтому основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является перезаряд только барьерной емкости. Диоды Шоттки могут работать на частотах до 15 ГГц, а время переключения у них составляет около 0,1 нс.

В импульсных схемах, формирующих импульсы с крутыми фронтами, применяют диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В этих диодах примесь в базе распределена неравномерно: концентрация ее больше в глубине базы и меньше возле р-n перехода, вследствие чего возникает внутреннее электрическое поле. Это поле препятствует проникновению в глубь базы инжектированных при прямом напряжении дырок из р -области в базу, то есть обеспечивает их группирование около границы р-n перехода. Кроме того, это поле при обратном напряжении способствует освобождению базы от неосновных носителей, в результате чего уменьшается t вос в десятки раз и отрицательный выброс импульса тока получается практически прямоугольным.

В настоящее время широкое применение находит в качестве высокочастотных и импульсных диодов диоды с p-i-n –структурой. В этих диодах сильнолегированные р и п области разделены достаточно широкой областью с собственной проводимостью. Электрическое поле действует только в i - области и оно практически однородное. Барьерная емкость p-i-n диода за счет широкой i - области мала и слабо зависит от приложенного к диоду напряжения.

Особенность работы p-i-n- диода состоит в следующем. Во-первых, при прямом смещении происходит инжекция электронов из п -области и дырок из р -области в i - область, что приводит к резкому уменьшению прямого сопротивления диода. Во-вторых, носители тока в i- области перемещаются не только за счет диффузии, но и дрейфуют в поле, что увеличивает их скорость и уменьшает время переноса носителей тока. Оба эти фактора увеличивают значение максимальной частоты работы таких диодов. При обратном напряжении происходит интенсивная экстракция носителей из i - области, что приводит к дополнительному возрастанию обратного сопротивления. Таким образом, для p-i-n диодов характерно большое отношение обратного к прямому сопротивлению, что обуславливает их хорошие импульсные свойства в переключательном режиме работы. Кроме того, такие диоды могут коммутировать в импульсе достаточно высокие мощности до нескольких десятков кВт.

В качестве импульсных диодов находят применение мезадиоды . Их особенностью является технология изготовления. При изготовлении этих диодов методом избирательного травления формируют конические выступы – столики, называемых «мезами». Такая технология позволяет получать р-п переходы с очень малой площадью и малой емкостью перехода и тем самым малым временем переключения

Рис.1.4. Конструкции двух типов импульсных диодов

Условно-графическое обозначение импульсного диода такое же как и у выпрямительного, возможные конструкции импульсных диодов приведены на рисунке 1.4.

Контрольные вопросы

1. Дайте классификацию полупроводниковых диодов.

2. Как влияет температура на вольтамперную характеристику германиевых и кремниевых выпрямительных диодов?

3. Назовите основные параметры выпрямительных диодов.

4. Какие требования предъявляются к высокочастотным и импульсным диодам?

5. В чем особенность работы р-i-п диодов и диодов с накоплением заряда (ДНЗ)?

Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.

Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное, через короткие промежутки времени порядка долей микросекунды при этом важную роль играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами.

Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рис. 2.11). Точечный диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой проволоки и стеклянного баллона. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения на диоде.

В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых методах формирования p–n -переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания). Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид галлия.

Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводят примесь золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетических уровней рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.

В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянный или металлический корпус с ленточными выводами.

Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса (рис. 2.12).

При прямом напряжении на участке 0…t 1 происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую и их накопление там. При смене полярности напряжения на обратную в первый момент величина обратного тока будет значительна, а обратное сопротивление диода резко уменьшится, так как накопленные в базе неосновные носители под действием изменившегося направления напряженности электрического поля начнут двигаться в сторону p–n -перехода, образуя импульс обратного тока. По мере перехода их в эмиттерную область, их количество уменьшится и через некоторое время обратный ток достигнет нормального установившегося значения, а сопротивление диода в обратном направлении восстановится до нормальной величины.

Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение которого обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося, называется нем восстановления обратного сопротивления . Время восстановления обратного сопротивления – один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем оно меньше, тем диод лучше. Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам p–n -переход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной ёмкости перехода .

Выводы:

1. Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.

2. Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое.

3. Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления.

4. Для уменьшения используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

5. Требованиям, предъявляемым к импульсным диодам, хорошо удовлетворяют диоды на основе барьера Шоттки, которые имеют очень малую инерционность благодаря отсутствию инжекции и накопления неосновных носителей заряда в базе.