16

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 (П_вып) 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 (П_ом), 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 N_a и донорных N_d 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 = 10¹⁷10¹⁹ см^-3 и высокоомная область базы с низкой концентрацией атомов примеси N = 10¹⁴10¹⁵ 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 U_обр.max – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без нарушения его работоспособности (обычно U_обр.max = 0,5 – 0,8U_проб, где U_проб – напряжение пробоя);

• максимально допустимый постоянный прямой ток I_пр.max;

• постоянное прямое напряжение U_пр при заданном прямом токе I_пр = I_пр.max;

• максимальный обратный ток I_обр.max – обратный ток диода при приложении к нему напряжения U_обр.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 I_пр.ср, средний обратный ток I_обр.ср, а также импульсный прямой ток I_пр.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/см^2	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 U_обр.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.