- •1. Полупроводниковые диоды
- •2. Выпрямительные плоскостные низкочастотные диоды
- •2 . Импульсные диоды
- •3. Диоды с резким воссановлением обратного сопротивления
- •4. Диоды шоттки
- •6. Стабилитроны
- •7. Стабисторы
- •8. Шумовые диоды
- •8. Туннельные диоды
- •9. Обращенные диоды
- •10. Варикапы
- •Основные параметры варикапа
ЛЕКЦИЯ 7. ВИДЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
1. Полупроводниковые диоды
Диодом называют полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя электрическими выводами (контактами).
В качестве выпрямляющего электрического перехода (Пвып) в полупроводниковых диодах может быть использован p-n - переход (анизотипный гомо- или гетеропереход) или выпрямляющий переход металл – полупроводник (переход Шоттки). В диоде с p-n переходом или с гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два невыпрямляющих (омических) перехода металл – полупролводник (Пом), через которые p- и n-области диода соединены с электрическими выводами М (рис.1,а). В диоде с переходом Шоттки имется один омический переход (рис.1,б).
Обычно p-n - переход создают на основе монокристалла кремния или германия (Si и Ge – элементы IV группы), внедряя акцепторные (элементы III группы: индий, галлий, алюминий, бор) и донорные (элементы V группы: сурьма, фосфор, мышьяк) примеси. Если концентрации акцепторных Na и донорных Nd примесей равны, то p-n - переход называется симметричным. Для изготовления полупроводниковых диодов, как правило, используют несимметричные p-n - переходы. В них имеется низкоомная область эмиттера с большой концентрацией атомов примеси N = 10171019 см-3 и высокоомная область базы с низкой концентрацией атомов примеси N = 10141015 см-3. На рисунках эмиттерные области часто обозначают значками: p+ _ эмиттер дырок и n+ – эмиттер электронов. Так, на рис. 1, а представлен несимметричный p-n - переход с эмиттером электронов. Ток через несимметричный p-n - переход создается одним типом носителей. Вклад второго типа носителей в общий ток является несущественным.
Концентрация примесей на границе полупроводников p и n - типов может изменяться скачкообразно или плавно, соответственно такие типы p-n переходов будут называться резкими и плавными.
В зависимости от соотношения линейных размеров p-n - перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая из двух величин: средняя длина диффузии неосновных носителей в базе или толщина базы. У плоскостного диода линейные размеры, значительно больше, а у точечного меньше характеристической длины.
2. Выпрямительные плоскостные низкочастотные диоды
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница частот – так называемая предельная частота выпрямительных диодов, как правило, не превышает 20 кГц.
Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры:
максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.max – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без нарушения его работоспособности (обычно Uобр.max = 0,5 – 0,8Uпроб, где Uпроб – напряжение пробоя);
максимально допустимый постоянный прямой ток Iпр.max;
постоянное прямое напряжение Uпр при заданном прямом токе Iпр = Iпр.max;
максимальный обратный ток Iобр.max – обратный ток диода при приложении к нему напряжения Uобр.max;
частота без снижения режимов – верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.
По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы: диоды малой мощности (0,3 А), диоды средней мощности (0,3 А 10 А) и мощные (силовые) диоды (10 А).
Иногда в паспорте диода указывают средний выпрямленный ток Iпр.ср, средний обратный ток Iобр.ср, а также импульсный прямой ток Iпр.и или его максимально допустимое значение.
В состав параметров диодов входят диапазон температуры окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от –60 до +125 ºС) и максимальная температура корпуса.
Необходимую площадь p-n-перехода рассчитывают исходя из величины допустимого прямого тока диода, учитывая максимальную величину плотности прямого тока J (табл.1).
Табл. 1.
Основные параметры выпрямительных диодов изготовленных из различных материалов
|
Ge |
Si |
GaAs |
J, А/см2 |
100 |
200 |
100 |
Uпр, В |
~0.3 |
~0.7 |
1÷3 |
Uобр.max, В |
до сотен В |
до единиц кВ |
до сотен В |
Iобр.max, мА |
~0.2 |
~0.01 |
~0.01 |
t°,С |
до +75 |
–60÷ |
до +250 |
Подавляющее большинство кремниевых выпрямительных диодов имеет плоскостную р+–n–n+ структуру (рис.2, а). Они изготавливаются на основе низколегированного (высокоомного) кристалла кремния с электропроводностью n-типа. Пробой плоскостных диодов обычно происходит по поверхности, на которой много дефектов и примесей. В высоковольтных выпрямительных диодах для увеличения Uобр.max производят неравномерное легирование эмиттера и снимают фаску (рис.2, б). При этом толщина p-n-перехода вблизи поверхности увеличивается, а концентрация примесей и дефектов на поверхности уменьшается, что увеличивает напряжение пробоя. Для работы при повышенных температурах используют выпрямительные диоды на основе GaAs. При работе с напряжениями питания ~1.5 В используют Ge выпрямительные диоды с малым прямым падением напряжения.
Существуют высокочастотные выпрямительные диоды, работающие на частотах порядка единиц мегагерц.