Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим p-n переходом, имеющим два вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема структуры полупроводникового диода (а)

и его графическое обозначение (б)

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. В контактирующих слоях полупроводника имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока.

Конструкция полупроводниковых диодов

Основой диодов является кристалл полупроводника n - типа проводимости, который называют базой диода. Базу приваривают к металличес­кой пластинке, которую именуют кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси, например, на пластинку из гер­мания помещают таблетку из индия. В вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуются область p - типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда и название). К p и n области электронно-дырочного перехода подсоединяют выводы. Вывод от p - области называется анодом, а вывод от n - области катодом (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Конструкция плоскостного дио

Корпуса мощных плоскостных диодов выполняют чаще всего из металла или керамики. Коэффициент расширения материала корпуса диода должен быть таким же, как у полупроводника кристалла, иначе герметичность корпуса или целостность соединения кристалла с базой кристалло-держателя будет нарушена. Металлические корпуса обычно изготовляют из специального сплава - ковара. Большая плоскость p-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счет большой барьерной емкости они будут низкочас­тотными. Для точечного диода к базе диода подводят тонкую проволоку из вольфрама или бериллиевой бронзы, легированную атомами акцепторной примеси (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Конструкция точечного диода

Затем через проволоку пропускают короткие импульсы тока силой до 1 А в прямом и обрат­ном направлениях, что называется формовкой. Процесс легирования заключается во введении веществ, придаю­щих исходному материалу новые свойства. Легирование чаще всего выполняют либо методом диффузии, либо методом ионной имплантации. Рассмотренный выше метод относится к локальному диффузионному типу. В точке разогрева атомы акцепторной примеси перехо­дят в базу, образуя р-область (рис. 6.4). Цель формовки заключается в обеспечении механической прочности и стабильности соединения проволоки с кристаллом путем их локального сплавления.

Рис. 6.4. Образование р-области

Получается p-n переход с небольшой емкостью и очень малой площадью, за счет чего точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах, исчисляемых десятками миллиампер.

Корпуса маломощных точечных диодов изготовляют чаще всего из стекла или пластмассы. Как и для мощных диодов, коэффициент линейного расширения кристаллов и корпусов должен быть одинаковым.

Микросплавные диоды получают путем сплавления микрокристаллов полупроводников p и n типа проводи­мости. По характеру исполнения микросплавные диоды будут плоскостные, а по параметрам близки к точеч­ным диодам.