2.3. Типы диодов и их применение

В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, обратный пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т. д. В зависимости от вида используемого свойства, т. е. от назначения, различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные (силовые) диоды, высокочастотные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы (варакторы), туннельные диоды. Каждый тип диода содержит ряд типономиналов; регламентированный соответствующим ГОСТом.

При выборе диода следует кроме определения необходимого типономинала проверить соответствие ожидаемых при эксплуатации и допустимых для данного прибора по техническим условиям уровней механических и климатических

13

воздействий. Для окончательного выбора диода используют его квалиметрическую модель. Рассмотрим основные функциональные типы электропреобразовательных полупроводниковых диодов, а также принцип их действия, характеристики, параметры, особенности применения.

Выпрямительные диоды

Резкую асимметрию вольт-амперной характеристики р–n–перехода широко используют для выпрямления переменного тока низкой частоты. Приборы, предназначенные для этой цели, называются выпрямительными диодами, они являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов.

Простейшая схема выпрямителя на диоде показана на рис. 2.11. Переменное напряжение сети, измененное с помощью трансформатора до необходимой величины (U_т, подается через диод Д на конденсатор большой емкости С_ф, выполняющий функции фильтра — накопителя заряда. Периодически напряжение трансформатора становится прямым, тогда через диод проходят импульсы тока, подзаряжающие конденсатор. Остальную часть периода конденсатор разряжается через нагрузку R_н, включенную параллельно ему.

Так как емкость конденсатора Сф выбирают достаточно большой,

то напряжение U_с на нем изменяется мало, напряжение нагрузки U_выпр = U_с оказывается практически постоянным и через нее проходит почти постоянный ток:

I_выпр = U_выпр/R_н.

Рис. 2.11 Рис. 2.12

На рис. 2.12 показан график изменения во времени напряжения диода.

Напряжение диода представляет собой алгебраическую сумму постоянного напряжения нагрузки U_выпр и переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора u_т = U_т sin wt. Максимальное прямое напряжение диода

U_пр = U_т – U_выпр,

а максимальное обратное напряжение диода

U_обр = U_т + U_выпр.

На рис. 2.12 с помощью вольт-амперной характеристики диода построен график изменения во времени тока диода. Можно видеть, что импульсы тока проходят в течение времени, когда напряжение диода прямое. Длительность этих импульсов меньше полупериода выпрямляемого напряжения и зависит от величины выпрямленного напряжения. Очевидно, среднее значение тока диода

I_o = 1/T

14

должно быть равно току нагрузки I_выпр.

Ввиду высокой прямой проводимости диода выпрямленное напряжение приближается к U_т.

Максимальное обратное напряжение возникает в режиме холостого хода (R ≈ ∞), когда U_выпр = U_Т:

U_обр = U_Т + U_Т = 2 U_Т . (2.47)

Из рассмотрения вытекает, что возможности полупроводникового диода как выпрямителя характеризуются величинами максимально допустимого анодного тока, определяющего максимальный выпрямленный ток (ток нагрузки), и максимально допустимого обратного напряжения, определяющего максимальное выпрямленное напряжение.

В выпрямительных диодах электронно-дырочный переход имеет большую площадь, обеспечивающую получение выпрямленных токов требуемой величины. В настоящее время наиболее распространены выпрямительные диоды сплавного типа. Для изготовления выпрямительных диодов широко используют кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях в ряде случаев выгоднее германиевые диоды, так как они имеют меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые (см. рис. 2.5).

Мощные диоды с целью отвода тепла монтируют на специальных радиаторах, изготовленных из металла, обладающего хорошей теплопроводностью; для увеличения рассеиваемой мощности используют воздушное и жидкостное охлаждение.

Допустимый выпрямленный ток и допустимое обратное напряжение диода зависят от температуры окружающей среды. При повышенной температуре возрастает опасность теплового пробоя в соответствии с выражением (2.25), поэтому подводимое напряжение и выпрямленный ток должны быть снижены по сравнению с номинальными. Отечественной промышленностью выпускается широкая номенклатура германиевых и кремниевых выпрямительных диодов на токи до 500 А и обратные напряжения до 1000 В.

При необходимости получения больших напряжений полупроводниковые при-боры соединяют последовательно, цепочка может состоять из десятков приборов.

В нашей стране и за рубежом на основе изложенных методов созданы мощные высоковольтные выпрямительные блоки, обеспечивающие получение мощности в нагрузке до 100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до 1000 А.

Отечественной промышленностью выпускаются и маломощные выпрямительные элементы, представляющие собой цепочку последовательно соединенных полупроводниковых выпрямительных диодов, размещенных в едином корпусе; их называют выпрямительными столбами. Выпускаются также выпрямительные блоки, представляющие собой конструктивно завершенное устройство, состоящее из выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме, например мостовой.

15

Высокочастотные диоды

Под названием «высокочастотные диоды» объединим целую группу полупроводниковых диодов, предназначенных для обработки высокочастотных сигналов, а именно:

– детекторные диоды, предназначенные для выделения низкочастотного сигнала из модулированного колебания;

– смесительные диоды, используемые для изменения несущей частоты модулированного колебания;

– модуляторные диоды, предназначенные для модуляции высокочастотного колебания, и др.

Для всех этих диодов общим является работа на высоких частотах.

Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивлениями электронно-дырочного перехода (R_п), а также р- и n-областей полупроводника (г_б), то при работе диода на высоких частотах большую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного сопротивления г_б свойства диода на высоких частотах оказываются совершенно иными, чем на низких частотах, выпрямительный эффект с ростом частоты почти полностью исчезает.

Для расширения частотного диапазона диода

Рис. 2.13

необходимо уменьшить его емкость С_д и сопротивление базы г_б (см. рис. 2.11).

Для уменьшения емкости р–n -перехода в высокочастотных диодах часто применяют точечную конструкцию (рис. 2.13, а). Монокристалл германия или кремния n-типа является базой диода. База припаяна к выводу свинцово-оловянным припоем, обеспечивающим омический контакт. С другой стороны к базе прижата вольфрамовая игла, имеющая диаметр острия не более 20—30 мкм. Благодаря малой площади контакта обеспечивается получение малой емкости перехода (порядка десятых долей пикофарада). Электродная система с целью защиты от воздействия окружающей среды заключена в герметичный стеклянный корпус; выводы электродов сделаны из ковара, имеющего такой же температурный коэффициент расширения, что и стекло.

Контакт вольфрамовой иглы с поверхностью полупроводника обладает выпрямительными свойствами, однако для создания стабильного выпрямляющего контакта, имеющего более высокое пробивное напряжение, диод обычно подвергают электроформовке путем кратковременного (1/4 с) пропускания мощного импульса тока. Вследствие сильного локального разогрева приконтактной области, приводящего к частичному расплавлению кристалла и конца иглы, возникает диффузия примесей в кристалл и под острием иглы после резкого охлаждения образуется небольшая по объему р-область, возникает р-n-переход (рис. 2.13, б). Для повышения прямой проводимости диода на конец иглы перед формовкой иногда

16

наносят акцепторную примесь (индий или алюминий), при этом концентрация акцепторов в р-области достигает 10¹⁷ см^–3, а прямая проводимость — 100мА/В. Из упомянутых материалов лучшие результаты, сточки зрения высокочастотных свойств, дает алюминий, позволяющий получить меньший радиус р-n-перехода.

Предельная частота точечных диодов благодаря малой емкости перехода составляет 300—600 МГц. Изготовляют также диоды на частоты порядка десятков гигагерц. У них емкость перехода еще меньше, что достигается специальной заточкой иглы с использованием прижимного контакта без электроформовки. Предусмотрено максимальное уменьшение индуктивности выводов. Однако допустимое обратное напряжение у таких диодов не превышает 3—5 В; низкой получается допустимая мощность рассеяния.

На высоких частотах применяют также так называемые микросплавные диоды, имеющие малую площадь перехода. Диоды с микрославными переходами выгодно отличаются от точечных лучшей стабильностью параметров, но емкость перехода у них больше и предельные частоты ниже; чем у точечных диодов. К этому типу приборов относится диод Д223, имеющий I_выпр=50мА, U_обр 150 В, f_пред = 20МГц.

Импульсные диоды

Полупроводниковые диоды широко используют в качестве ключа, т. е. устройства, имеющего два состояния: «открыто», когда сопротивление прибора очень мало, и «закрыто», когда его сопротивление очень в елико. Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности небольшим, так как этим определяется быстродействие аппаратуры.

Рис. 2.14

Предназначенные для этой цели диоды называют импульсными или ключевыми.

Заряд переключения. Для работы в режиме переключения существенное значение имеет величина заряда, который должен быть выведен из базы для перевода диода в закрытое состояние. Этот заряд называют зарядом переключения. Очевидно, заряд переключения Q_п всегда меньше накопленного заряда Q_н, так как за время, пока он выводится из диода, часть носителей успевает рекомбинировать. Чем больше отношение обратного тока I₂ к прямому току I₁ тем больше относительное значение заряда переключения Q_п/Q_н .

Для исследования процесса переключения диода используем схему, приведенную на рис. 2.14. На диод Д поступают импульсы прямого тока I₁ ≈ /R1₁, после окончания прямого импульса через резистор R2 подается лишь обратное напряжение источника <^2, стремящееся запереть диод. Ток i(t) и напряжение u(t) диода наблюдают с помощью двухлучевого осциллографа, подключенного к диоду и резистору r небольшого сопротивления, служащему для линейного преобразования измеряемого тока в напряжение.

На рис. 2.16, а показана осциллограмма тока диода в режиме переключения.

17

На протяжении времени t₁ предшествующего переключению, через диод проходит

Рис. 2.16 Рис. 2.17

импульс прямого тока I₁ ~ 1/R1. При переключении диода на обратное напряжение <§г (t = 0) его сопротивление r_обр = u/i вначале оказывается небольшим вследствие того, что база насыщена носителями заряда, накопленными во время прохождения прямого тока. Поэтому обратный ток I₂, проходящий через диод, имеет вначале большую величину:

С течением времени накопленный заряд частично выводится из базы током I₂, а частично исчезает вследствие рекомбинации, поэтому переход восстанавливает высокое обратное сопротивление, обратный ток диода падает до установившегося значения I_обр.

Изменение концентрации накопленного заряда в базе плоскостного диода в режиме переключения показано на рис. 2.17. К моменту окончания прямого импульса в базе существует установившееся распределение концентрации (кривая t = 0). При переключении диода, когда возникает обратный ток I₂ = /R2, кривая t' распределения концентрации у перехода получает обратный наклон. Создается диффузионный ток дырок из базы в переход. Одновременно из базы во внешнюю цепь в таком же количестве выводятся электроны, чем сохраняется нейтральность базы. Неравновесная концентрация неосновных носителей заряда уменьшается как за счет рассмотренного процесса, так и вследствие рекомбинации (кривая I"). Градиент концентрации носителей заряда у перехода и ток остаются при этом постоянными до тех пор, пока концентрация дырок у перехода не спадет до нуля (t = t₂). Далее градиент концентрации начинает уменьшаться и обратный ток достигает величины I_обр.

Осциллограмма напряжения на диоде в процессе переключения показана на рис. 2.16, б. В первый момент после включения прямого тока на диоде наблюдается всплеск напряжения. Это объясняется тем, что из-за ограниченной скорости диффузии носителей заряда база диода сразу после включения еще не насыщена неравновесными носителями и ее сопротивление повышено. По мере накопления носителей заряда сопротивление базы снижается до установившегося значения,

18

так же как и напряжение.

После переключения диода напряжение на нем в течение первой фазы рассасывания t₂ остается положительным за счет неравновесного заряда, медленно убывая до нуля. Все напряжение источника E3 Надает в это время на резисторе R2 (см. рис. 2.15). Затем напряжение диода, изменив полярность, нарастает постепенно до значения напряжения источника E2.

Длительность переключения диода с прямого направления на обратное (t₂ + t₃) зависит от времени жизни носителей заряда в базе τ_р, а также от соотношения между прямым I₁ и обратным I₂ токами. Уменьшая отношение I₁/I₂, можно сократить время переключения диода на порядок. Для диодов с тонкой базой время переключения зависит от времени диффузии носителей заряда сквозь базу τ_дф и при том же времени жизни оказывается в десятки раз меньше, чем у обычных диодов.

Параметры импульсных диодов. Импульсные диоды характеризуются величиной прямого и обратного токов, для которых в технических условиях устанавливаются максимально допустимые значения. Величина прямого тока диода в импульсном режиме значительно выше, чем в непрерывном.

Быстродействие диода как ключа определяют два параметра – время установления прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления (ГОСТ 20004—74).

Время установления прямого напряжения t_уст – это интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до момента достижения заданного значения прямого напряжения (рис. 2.18).

Рис. 2.18 Рис. 2.19

Процесс установления прямого напряжения согласно тому же ГОСТу характеризуют также пиковым значением прямого напряжения диода, возникающего на нем при включении в прямом направлении и заданной величине импульса прямого тока (рис. 2.18). Его называют импульсным прямым напряжением диода и обозначают U_{пр и}.

Время восстановления обратного сопротивления t_вос – это интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение до момента достижения обратным током заданного низкого значения I_вос (рис. 2.19).

По времени восстановления импульсные диоды подразделяют на три группы:

– высокого быстродействия (t_вос<10 нc),

– среднего быстродействия (10 нс < t_вос < 100 нс),

– низкого быстродействия (t_вос > 100 нс).

19

Для диодов высокого быстродействия I_вос = 0.1 I₁, а для диодов среднего быстродействия I_вос = 0,01 I₁.

Типы импульсных диодов.

Сплавные диоды имеют значительное время восстановления t_вос>0,5 мкс). Точечные диоды, обладая малыми емкостью перехода (0,5 пФ) и зарядом переключения (100 – 200 пКл), имеют время восстановления менее 0,1 мкс однако у них небольшие величины прямого тока (не более 20 – 50 мА) и допустимого обратного напряжения (не более 20 В).

З начительно большей скоростью переключения, большей величиной прямого тока, стабильностью параметров и малым их разбросом отличаются меза-диоды. В этих диодах, изго Рис 2.20 товленных методом диффузии, для уменьшения площади перехода производят травление кристалла, в результате получается показанная на рис. 2.20 меза–структура (от исп. mesa – стол), имеющая диаметр шейки 70—200 мкм. Меза-диоды имеют время восстановления t_вос= 10–50 нс при прямом токе I₁ до 500 мА и обратном напряжении .до 100 В.

Особенностью характеристик выключения диодов, изготовляемых методом диффузии, является малая длительность фазы спада обратного тока 13 (см. рис. 2.16). Отношение (3/2 может быть меньше 3%), а заряд переключения в некоторых типах диодов приближается по величине к накопленному заряду.

Указанный эффект обусловлен тем, что при диффузионном введении примесей концентрация их получается неравномерной: она убывает по мере удаления вглубь от поверхности. Вследствие этого в базе возникает электрическое поле, направленное к переходу и тормозящее инжектируемые дырки. При переключении диода на обратное направление поле «прижимает» дырки к переходу и этим растягивает первую фазу процесса рассасывания t₂, но к моменту ее окончания в базе практически не остается неравновесных носителей заряда и обратное сопротивление диода почти мгновенно нарастает до стационарного значения.

Диоды с резким восстановлением обратного сопротивления имеют ряд специфических применений: генерирование импульсов с очень крутым фронтом, умножение частоты в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн, усиление импульсов и т. д.

Эффективны в режиме переключения планарно-эпитаксиальные диоды (см. рис. 2.3). Они имеют параметры, близкие к идеальным: прямое сопротивление из-за малой толщины базы составляет единицы Ом; обратный ток благодаря хорошей защите перехода имеет порядок долей наноампера при обратном напряжении до 100 В. Введение в базу атомов золота обеспечивает малое время восстановления порядка единиц наносекунд. Эти диоды отличаются высокой стабильностью параметров и хорошей надежностью.

Возможности дальнейшего увеличения скорости переключения открываются при использовании токов, создаваемых основными носителями заряда, прохождение которых не связано с накоплением заряда, ограничивающего быстродействие прибора. Для этой цели, в частности, может быть использован участок лавинного пробоя диода на обратной ветви его вольт- амперной характеристики. Высокая

20

скорость развития лавинного разряда позволяет повысить быстродействие диода в 10 — 100 раз и получить время переключения порядка 0,01 пс.

Эффективным типом импульсных диодов являются также металло-полупроводниковые диоды (диоды Шоттки).

Полупроводниковые стабилитроны

Режим электрического пробоя р-n-перехода находит практическое применение для стабилизации напряжения. Такие диоды носят название полупроводниковых стабилитронов. Их изготовляют из кремния, обеспечивающего получение необходимой вольт-амперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как пробой у них легко приобретает форму теплового и характеристика в этом режиме имеет неустойчивый падающий участок. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рис. 2.21. В точке А, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50—100 мкА. После точки А ток резко возрастает и допустимая величина его I_mах ограничивается лишь мощностью рассеяния Р_mах:

I_mах = Р_mах /U_ст.

Допустимая рассеиваемая мощность Р_mах определяется тепловым сопротивлением диода R_т, допустимой температурой перехода T_{п mах} и температурой окружающей среды Т₀ в соответствии с соотношением (2.21):

Р_max = (Т_{п max} – Т_о)/R_Т (2.48)

В современных стабилитронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока приводит к выходу диода из строя. Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя р–n–перехода, зависит согласно соотношению (2.16) от концентрации примесей в р–n–структуре и лежит в пределах 4–200 В.

Рис. 2.21 Рис. 2.22

Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики (от I_min до I_mах) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона (см. рис. 2.21):

r_д = dU/dI = ∆U_ст/∆I_ст .

Оно составляет несколько десятков и даже единиц Ом, причем меньшая величина соответствует стабилитронам, имеющим рабочее напряжение 7–15 В и большой рабочий ток.

21

При использовании стабилитрона для стабилизации напряжения его включают параллельно нагрузке Rн (рис. 2.22). В неразветвленную часть цепи включают ограничительный резистор, сопротивление Rо которого должно быть значительно больше дифференциального сопротивления стабилитрона r_д, (чем больше отношение Rо/r_д, тем лучше стабилизация напряжения).

Если напряжение питания во время работы может изменяться самопроизвольно в обе стороны относительно некоторого значения Ео рабочую точку на характеристике стабилитрона выбирают посередине рабочего участка, т. е. берут ток стабилитрона в исходной точке:

I_ст = (I_max + I_min )/ 2.

Для этого напряжение питания должно быть равно

Ео = U_ст + Rо(I_н + I_ст)

Принцип стабилизации напряжения заключается в следующем. Пусть напряжение питания вследствие нестабильности изменяется в пределах ΔЕо. Тогда напряжение на стабилитроне и нагрузке будет изменяться на величину ΔU_ст, которая, как видно из рис. 2.21, значительно меньше ΔЕо. Из выражения (2.49) находим

ΔЕо = ΔU_ст + Rо(ΔI_Rн + ΔI_ст) = ΔU_ст + Rо[(ΔU_ст/Rн) + (ΔU_ст/r_д)]

Отсюда

ΔU_ст = ΔЕо/(1 + Rо/Rн + Rо/r_д).

При Rо/r_д >> 1 получаем, что ΔU_ст << ΔЕо, т. е. напряжение на выходе изменяется значительно меньше, чем напряжение на входе стабилитрона.

Стабилизация напряжения имеет место и при изменении сопротивления нагрузки. Пусть по этой причине ток нагрузки возрос на ΔI_н. Тогда напряжение на стабилитроне должно снизиться на RоΔI_н. Однако этого не происходит, так как сразу же резко уменьшается ток стабилитрона и результирующее изменение тока в неразветвленной цепи будет меньше изменения тока нагрузки:

ΔI_o = ΔI_н – ΔI_ст.

При этом результирующее изменение напряжения нагрузки

ΔU_ст = Rо(ΔI_н – ΔI_ст) (2.51)

получается меньше, чем при отсутствии стабилитрона.

Так как ΔI_ст = ΔU_ст/ r_д, то, подставив выражение (2.51), найдем

ΔU_ст = RоΔI_н/(1 + Rо/r_д).

Отсюда можно видеть, что стабилизация тем выше, чем больше отношение Rо/r_д. Однако чрезмерное увеличение сопротивления сопряжено с большой потерей мощности в нем и поэтому является невыгодным.

При использовании стабилитрона в прецизионных стабилизаторах Необходимо учитывать, что напряжение стабилизации U_ст зависит от температуры. Температурный коэффициент напряжения стабилизации в соответствии с выражением (1.1)

ТКU = 1/U_ст (ΔU/ΔT)

лежит в пределах 0,1% на 1 ^oС. Величина и направление зависят от напряжения стабилизации (рис. 2.23). Для напряжений ниже 5 В, соответствующих узким

22 р–n–переходам, где преобладает туннельный пробой, ТКU отрицателен. Для напряжений выше 6 В, соответствующих более широким переходам, в которых основным становится лавинный пробой, ТКU положителен, так как при увеличении температуры снижается подвижность носителей заряда в переходе и для ударной ионизации, т. е. для лавинного пробоя, необходима большая величина напряженности электрического поля.

Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к включению последовательно со стабилитроном термозависимого резистора R(Т), имеющего обратный температурный коэффициент (см. рис. 2.22).

Для стабилитронов с положительным

ТКU для этой цели обычно используют

Риc. 2.23

Р–n–переходы, включенные в прямом направлении. Подобные приборы с успехом применяют в качестве эталонных источников напряжения даже в переносной аппаратуре.

Чтобы получить большое напряжение стабилизации, стабилитроны включают последовательно, при этом для компенсации разброса параметров иногда необходимо подключать к ним уравнительные резисторы. Параллельное включение стабилитронов также допустимо, но, поскольку ток между ними вследствие разброса параметров распределяется неравномерно, во избежание повреждения среднюю мощность рассеяния на прибор следует брать значительно меньше величины, допустимой для одного прибора; кроме того, можно выравнять токи диодов с помощью резисторов, включенных последовательно с ними; при этом, однако, ухудшаются стабилизирующие свойства ввиду увеличения результирующего дифференциального сопротивления приборов.

Варикапы

Общие сведения. Варикап – это полупроводниковый диод, применяемый в качестве электрического конденсатора, управляемого напряжением. В варикапе используется зависимость емкости перехода от обратного напряжения.

Схема включения варикапа показана на рис. 2.24,а. Обратное напряжение на варикап подается через разделительный высокоомный резистор R, предотвращающий шунтирование емкости варикапа малым внутренним сопротивлением источника питания. Изменяя величину обратного напряжения U_обр, можно регулировать емкость варикапа. Параллельно варикапу включают колебательный LС-контур, настройку которого регулируют с помощью варикапа.

Для уменьшения влияния переменного напряжения колебательного контура на емкость варикапа часто применяют встречно-последовательное включение идентичных варикапов (рис. 2.24, б). Переменное напряжение поступает на варикапы в противофазе, поэтому вызываемые этим напряжением изменения емкости варикапов ΔС и –ΔС взаимно компенсируются, а результирующая емкость варикапов остается неизменной.

23

Рис. 2.24 Рис. 2.25

Качество варикапа определяется:

– емкостью и пределами ее возможного регулирования с помощью приложенного обратного напряжения;

– добротностью и частотным диапазоном;

– температурной стабильностью емкости и добротности.

Емкость варикапа. В соответствии с формулой (2.41) для емкости варикапа можно записать

где Св – емкость между электродами и выводами варикапа, не зависящая от приложенного напряжения.

Начальная емкость варикапа С_о согласно выражению (2.39)

Она зависит от площади перехода П и концентрации примеси в базе диода N_д и практически может лежать в пределах от единиц пикофарад до десятых долей микрофарада. Возможное относительное изменение емкости варикапа путем изменения приложенного обратного напряжения U_обр определяется выражением (2.54) (рис. 2.25). Разброс характеристик может быть менее 2,5%.

Крутизна вольт-фарадной характеристики варикапа СU_обр, представленной на рис. 2.25, как следует из соотношения (2.54),

(2.56)

Она имеет максимальное значение при U_обр = 0 и с повышением обратного напряжения уменьшается.

Н аименьшую крутизну вольт-фарадной характеристики С(U) имеют варикапы с плавным концентрационным профилем (см. рис. 2.9, кривая А), наибольшую — так называемые изо-диоды, имеющие нарастающую к границе областей концентрацию легирующей примеси * (кривая В). Промежуточное положение занимает резкий переход (кривая Б).

Добротность варикапа. При прохождении через варикап переменного тока I_m часть мощности поглощается в токоведущих элементах:

выводах, электродах, областях базы и эмиттера, обладающих некоторым результирующим сопротивлением потерь г_б. Рис. 2.26 Поглощение мощности происходит и в самом электронно-

24

дырочном переходе, находящемся под воздействием переменного напряжения U_m. Сопротивление потерь в переходе обозначим R_п.

Таким образом, приходим к эквивалентной схеме варикапа, показанной на рис. 2.26.

Добротностью варикапа Q называют отношение реактивной мощности P_рeакт = 0.5 СдU²_m к мощности потерь Р_ПОТ:

Q = P_рeакт /Р_ПОТ . (2.57)

Мощность потерь имеет две составляющие: потери в токоведущих элементах

потери в р-n-переходе

P_Rп = 0,5 U²_m/ R_п.

Отсюда добротность варикапа

(2.58)

Как видно из выражения (2.58), добротность варикапа зависит от частоты. На низких частотах, когда пренебрежимо мал первый член в знаменателе, добротность

Q_нч = юС_дR_п (2.59)

определяется потерями в р-n-переходе.

На высоких частотах, когда пренебрежимо мал второй член, добротность

Q_вч = 1/юС_д г_б (2.60)

определяется потерями в токоведущих элементах.

Максимальная добротность соответствует частоте, при которой производная

Q / = 0

* Такие переходы получают путем воздействия на полупроводник пучка быстрых ионов легирующей примеси (метод имплантации),

В результате дифференцирования имеем:

(2.61)

Поскольку предпочтительна более высокая добротность, отсюда следует, что варикап должен иметь максимальную величину отношения R_п /r₆. Для повышения R_п используют полупроводники с широкой запрещенной зоной (АsGа), имеющие низкую концентрацию неосновных носителей заряда, т. е. малый обратный ток. Для уменьшения г₆ повышают концентрацию примесей в базе в области, не захватываемой р-n-переходом, т. е. на участке от электрода до р-n-перехода. Практически добротность варикапов может быть получена не хуже 100.

Рабочий диапазон частот варикапа определяется значениями минимально допустимой добротности Q_min. Минимальная рабочая частота варикапа

ω_min = 1/ Q_minС_дR_п, (2.62)

а максимальная рабочая частота

ω_mах = 1/ Q_minС_дr_б . - (2-63)

25

Температурная стабильность параметров варикапа. Влияние температуры на емкость варикапа обусловлено изменением контактной разности потенциалов согласно выражениям (2.55) и (2.31):

В целом оно относительно невелико, значительно сильнее влияние температуры на добротность варикапа, что обусловлено экспоненциальным ростом обратного тока при увеличении температуры. Предельная рабочая температура для германиевых варикапов составляет 50 – 60°С, для арсенид-галлиевых варикапов она достигает 150°С.

Применение варикапов. Благодаря возможности изменения емкости с помощью напряжения варикапы находят применение для настройки высокочастотных колебательных контуров и управления частотой генераторов гармонических колебаний. Промышленностью выпускается для этой цели большой ассортимент варикапов. Существует также разновидность варикапов, специально предназначенных для параметрического усиления колебаний и преобразования несущей частоты. Эти приборы называют варакторами или параметрическими диодами.

Туннельные диоды

В 1958 г. японским ученым Есаки было обнаружено, что р-n-структуры, имеющие очень большую концентрацию примесей (порядка 10¹⁹ – 10²⁰ см^–3), обладают аномальными характеристиками, показанными на рис. 2.27. В отличие от обычных диодов они хорошо проводят ток не только в прямом, но и в обратном направлении, а на прямой ветви их характеристики существует падающий участок. Аномальный ход характеристик сильно легированных р-n-структур обусловливается, как было установлено, туннельным эффектом, поэтому диоды подобного типа получили название туннельных.

К ак известно из курса физики, частица, имеющая энергию, недостаточную для прохождения через потенциальный барьер, может все же пройти сквозь него, если с другой стороны этого барьера имеется такой же свободный энергетический уровень, какой занимала частица перед барьером. Это явление называется туннельным эффектом. В квантовой механике показывается, что вероятность туннельного перехода тем выше, чем уже потенциальный барьера и чем меньше его высота. Туннельный переход совершается электронами без затраты энергии. В обычных диодах, имеющих концентрацию примеси в менее легированной области не выше 10¹⁷ см^–3, толщина электронно-дырочного перехода сравнительно велика и вероятность туннельного перехода электронов

Рис. 2.27 через потенциальный барьер ничтожно мала.

В туннельных диодах благодаря высокой концентрации примесей [см. формулу (1.40)] толщина перехода составляет около 0,01 мкм, т. е. барьер является очень узким. В этих условиях вероятность туннельного перехода электронов через потенциальный барьер оказывается значительной, что и приводит к своеобразному виду характеристики диода.

26

Для того чтобы уяснить, каким образом влияет туннельный эффект на характеристики туннельного диода, рассмотрим энергетические диаграммы сильно легированной р-n-структуры при различных значениях приложенного к ней напряжения. Вследствие высокой концентрации примесей локальные уровни в такой структуре образуют сплошную зону, а уровень Ферми смещается в зону проводимости в n-области и в валентную зону в р-области. Полупроводники такого типа называют вырожденными.

На рис. 2.28, б показана энергетическая диаграмма туннельного диода при нулевом смещении, штриховкой показаны энергетические уровни, заполненные электронами. В этом случае электроны могут совершать туннельные переходы в обоих направлениях; в состоянии равновесия результирующий ток равен нулю.

Если на туннельный диод подано обратное напряжение, то энергетические зоны смещаются таким образом, что напротив заполненных уровней валентной зоны р-области оказываются свободные уровни зоны проводимости n-области (рис. 2.28, а). При этом будет преобладать поток электронов, совершающих туннельный переход из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области, что приводит к резкому увеличению обратного тока диода. Напомним, что в обычных диодах обратный ток невелик, так как он создается главным образом за счет экстракции неосновных носителей заряда, имеющих малую концентрацию. Этот режим соответствует участку А характеристики диода (см. рис. 2.27).

Рис. 2.28

Если на туннельный диод подано прямое напряжение U, то заполненные уровни зоны проводимости n–области оказываются напротив свободных уровней валентной зоны р–области (рис. 2.28, в) и начинает преобладать туннельный переход электронов из зоны проводимости n–области в валентную зону р–области. Туннельный ток, создаваемый за счет этих переходов, имеет значительно большую величину, чем обычный диффузионный ток, он достигает максимального значения, когда уровень Ферми n-области совпадает с верхним уровнем валентной зоны р–области, что соответствует напряжению U₁ на диоде порядка 40—50 мВ для германиевых и 100–150 мВ для арсенид-галлиевых диодов. Это участок В характеристики диода.

27

При дальнейшем увеличении прямого напряжения перекрытие заполненных и свободных уровней уменьшается и туннельный ток падает. Когда зона проводимости n-области полностью расположится напротив запрещенной зоны р–области, туннельный тек должен снизиться до нуля (рис. 2.28, г). Однако практически в этом режиме через диод протекает некоторый избыточный ток, определяемый локальными уровнями в запрещенной зоне, а также диффузионная составляющая тока. Это участок Г характеристики диода.

При еще большем смещении (рис. 2.28,д) ток становился чисто диффузионным. Это участок Д характеристики диода.

Параметрами туннельного диода являются ток I_mах в точке максимума (от нескольких миллиампер до нескольких ампер) и отношение максимального тока I_mах к минимальному току I_min (не превышающее пяти). Отрицательная дифференциальная проводимость диода (крутизна) S = dI/dU в центре падающего участка характеристики может достигать сотен миллиампер на вольт.

Наличие отрицательной проводимости у туннельного диода указывает на возможность использования этого прибора для генерирования и усиления колебаний, преобразования сигналов и переключения. На рис. 2.29,а показана схема включения туннельного диода как усилителя, а на рис. 2.29,б — характеристика, поясняющая принцип ее работы. Благодаря отрицательному наклону вольт-амперной характеристики диода небольшое переменное напряжение Uвх

Рис. 2.29

приводит к появлению значительного переменного напряжения на нагрузке Uвых. Заметим, что если сопротивление нагрузки R' имеет большую величину, чем отрицательное сопротивление диода, то рассмотренная схема превращается из усилительной в ключевую, так как точки устойчивого равновесия А и Б у нее будут находиться на пересечении характеристики нагрузки с восходящими ветвями характеристики диода, а точка 0 является точкой неустойчивого равновесия. Напряжение питания Ед должно быть при этом увеличено до Е_д^’.

В связи с тем, что ток в туннельном диоде создается основными носителями, прохождение которых не связано с накоплением неравновесного заряда, прибор обладает чрезвычайно малой инерционностью. Предельная частота туннельного диода ограничивается лишь емкостью перехода, распределенным сопротивлением базы и индуктивностью выводов и может достигать сотен гигагерц. Отличительными особенностями туннельного диода являются также малое потребление мощности, устойчивость к радиационному излучению, малые габариты и масса. Влияние температуры на характеристику диода сравнительно невелико 28

(рис. 2.30). Эти качества туннельного диода обусловили его применение в радиоэлектронике. Однако существенным недостатком устройств на туннельных диодах является сильная электрическая связь между выходом и входом, что затрудняет во многих случаях использование туннельных диодов.

Рис. 2.30 Рис. 2.31

Обращенные диоды. У диодов, имеющих концентрацию примеси в менее легированной области порядка 10¹⁸ см^–3, в характеристике почти исчезает падающий участок, и она приобретает вид, показанный на рис. 2.31. При этом уровень Ферми находится у края валентной зоны и туннельный ток может проходить только при обратных напряжениях. Проводящему направлению у этих диодов соответствует обратная ветвь вольт-амперной характеристики, а запирающему – прямая.

Обращенные диоды из арсенида галлия характеризуются следующими значениями параметров: максимальный ток в проводящем направлении I_mах=3 мА при напряжении U₁<0,15 В, ток в запирающем направлении I_min=0,05-0,15 мА при напряжения U₂<0,9 В. Поскольку ток в этих приборах создается основными носителями заряда, обращенные диоды могут работать на более высоких частотах, чем обычные полупроводниковые диоды.

«Горизонтальный» участок характеристики на прямой ветви может быть использован для стабилизации тока в цепи.

Металлополупроводниковые диоды

Общие сведения. Все рассмотренные ранее полупроводниковые диоды имеют в качестве основного структурного элемента, определяющего их свойства и возможности, электронно-дырочный переход. Так, несимметричность вольт-амперной характеристики электронно-дырочного перехода используют в выпрямительных, высокочастотных и импульсных диодах, барьерную емкость перехода – в варикапах и варакторах, явление пробоя перехода – в стабилитронах и т. д. Однако ряд подобных эффектов, например несимметрия вольт-амперной характеристики и наличие барьерной емкости, присущ также переходам «металл – полупроводник», выполненным с учетом определенных требований. В то же время такие металлополупроводниковые переходы обладают полезными отличительными свойствами. По этой причине в последние годы ведется разработка диодов, у которых основным структурным элементом, определяющим функциональные 29

свойства прибора, является m–р– или m–n–переход (буквой m обозначен металл, буквами р и n – соответственно полупроводник р–типа и n–типа).

При изучении явлений в электронно–дырочных переходах (см. 1.4) приходилось сталкиваться с переходами m–р– и m–n–типов, обладающими электрическим сопротивлением, величина которого не зависит от направления тока (омические переходы). Для получения подобных переходов металл, наносимый в качестве электрода на поверхность электронного полупроводника, должен иметь, как указывалось, работу выхода, меньшую работы выхода полупроводника (еφ_m<еφ_n); для электрода, наносимого на поверхность дырочного полупроводника, требуется металл с большей работой выхода (еφ_m>еφ_р).

В этом случае в полупроводнике на границе с металлом образуется обогащенный основными носителями заряда слой, обеспечивающий высокую проводимость перехода независимо от направления тока.

Если же взять для электрода металл с противоположным соотношением работ выхода (еφ_m>еφ_n или еφ_m< еφ_р), то на границе с электродом образуется обедненный основными носителями заряда слой полупроводника, обладающий несимметричной характеристикой, как у электронно-дырочного перехода. Подобные металлополупроводниковые переходы называют выпрямляющими.

Выпрямляющие металлополупроводниковые переходы.

Рассмотрим образование обедненного слоя в m–n–переходе. На рис. 2.32, а показаны энергетические диаграммы уединенных m- и n-областей. Работа выхода электронов из металла еφ_m больше, чем работа их выхода еφ_n из полупроводника n-типа.

П ри соединении металла и полупроводника в единую структуру уровни Ферми W_F и W_Fn у них выравниваются (рис. 2.32, б), вследствие перехода части электронов из полупроводника в металл возникает контактная разность потенциалов φ_k = φ_m – φ_n (минус на металл). В приконтактном слое полупроводника появляются нескомпенсированный положительный заряд доноров Q_д и электрическое поле, тормозящее дальнейший переход электронов в металл. Поле оттесняет электроны от электрода и создает слой, обедненный подвижными носителями заряда. Энергетические уровни под действием тормозящего поля получают в области обедненного слоя подъем в направлении к электроду, как показано на рис. 2.32, б.

Э лектрическое сопротивление подобного m–n– перехода зависит oт полярности приложенно го напряжения. Напряжение, поданное минусом на полупроводник n-типа, а плюсом на металл, является прямым: суммарное тормозящее поле в переходе уменьшается и возникает значительный ток электронов из полупроводника в металл. При этом отсутствует явление инжекции и накопление неравновесного заряда. Уравнение вольт-амперней характеристики выпрямляющего m-n-перехода Рис. 2.32 практически такое же, как у р-n-перехода.

30

Напряжение, поданное плюсом на полупроводник n-типа, а минусом на металл, является обратным (U_обр): тормозящее поле в переходе увеличивается, а ток оказывается очень малым (порядка наноампер), так как он создается только теми немногочисленными электронами, которые способны преодолеть при переходе из металла в полупроводник большой потенциальный барьер: φ_k +U_обр.

Второй электрод выпрямляющей m-n-структуры должен обеспечивать омический контакт n-области с ее выводом, так же как в полупроводниковых р-n-диодах. Для этого его изготовляют из металла, имеющего меньшую работу выхода, чем в полупроводнике n-типа (еφ_m < eφ_n); при этом образуется слой, обогащенный электронами, переходящими в него из металла (рис. 2.33, а, правый контакт), который хорошо проводит ток в обоих направлениях.

Выпрямляющим может быть и m–р–переход, для этого должно быть выполнено условие еφ_m<еφ_n. Электроны, переходя из металла в полупроводник, заряжают металл положительно, в полупроводнике создаются нескомпенсированный отрицательный заряд акцепторов и электрическое поле, оттесняющее дырки от контакта; возникают обедненный слой и контактная разность потенциалов φ_k = φ_p – φ_m (плюс на металл) (рис. 2.33, б). Второй электрод выполняют из металла, имеющего большую работу выхода, чем в полупроводнике р-типа. При этом образуется обогащенный слой – омический переход. Прямое напряжение в выпрямляющем m-р-переходе соответствует плюсу на р–области. Энергетическая диаграмма для данного случая показана на рис. 2.34, а и б, ее предлагается разобрать самостоятельно.

Типы металлополупроводниковых диодов.

В последние годы была освоена технология получения переходов «металл – полупроводник» со стабильными свойствами, что привело к появлению различных типов металлополупроводниковых диодов (диодов Шоттки), обладающих рядом преимуществ. В качестве полупроводника в них обычно используется кремний, в качестве металла – молибден, алюминий, наносимые методом вакуумного испарения.

Высокочастотные и импульсные диоды Шоттки имеют площадь перехода менее 20–30 мкм², емкость – не более 1 пФ, очень малое распределенное сопротивление базы г_б. Отсутствие инжекции неосновных носителей заряда и связанного с ними накопления неравновесного заряда в базе существенно повышает быстродействие импульсных металлополупроводниковых диодов. Поэтому время переключения у них составляет доли наносекунды, а предельная частота — десятки гигагерц.

Мощные металлополупроводниковые диоды имеют большую площадь перехода, токи у них достигают десятков ампер, обратные напряжения – 500 В. Благодаря меньшему прямому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у диодов р-n-типа)

мощные металлополупроводниковые диоды обеспечивают более высокий к. п. д., особенно у низковольтных выпрямителей. Отсутствие неравновесного заряда делает возможной эффективную работу этих диодов на повышенных частотах (ты

сячи и десятки тысяч герц).

31

Рис. 2.33 Рис. 2.34