Конструкции полупроводниковых диодов

В зависимости от конструкции разли­чают точечные и плоскостные диоды.

Принцип устройства точечного диода показан на рис. 3.11. В нем тонкая заостренная игла с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока (1A/мкс) к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффунди­руют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы полу­чается миниатюрный р-п-переход полусферической формы. Следовательно, разни­ца между точечными и плоскостными диодами заключается в площади р-п-перехода.

Рис. 3.11. Принцип устройства точечного диода

Плоскостные диоды изготавливаются главным образом методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 3.12). В пластинку германия п-типа вплавляют при

температуре около 500 °С каплю индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую

концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля (рис. 3.12,а)

.

Рис. 3.12. Принцип устройства плоскостных диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузион­ным (б) методами

Диффузионный метод изготовления планарного р-п-перехода (рис.3.12,б) состоит в том, что атомы примеси диффузионным путем проникают в основной полупроводник. Примесное вещество при этом обычно находится в газообразном состоянии. Для того чтобы диффузия была интенсивной, основной полупроводник нагревают до более высокой температуры, чем в методе сплавления. Например, пластинку кремния п-типа нагревают до 900 °С и помещают в пары индия. Тогда на поверхности пластинки образуется слой кремния р-типа. Изменяя длительность диффузии, можно довольно точно получать слой нужной толщины. Диффузионный слой играет роль эмиттера.

Стабилитроны

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой р-п-пе­рехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запи­рающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой р-п-перехода. Электрический пробой, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых разрушений структуры вещества. Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Могут, существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: туннельный и лавинный.

Туннельный пробой (пробой Зинера) объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при сильном поле напряженностью более 10⁵ В/см, действующем в р-п-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. На­пряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет удар­ной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным элек­трическим полем. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Вольт-амперная характеристика полупро­водниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у крем­ниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т.е. в режиме стабилизации, он получается таким же, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного.

На рис. 3.13 приведена типичная вольт-амперная характеристика стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме ста­билизации напряжение меняется мало. Характери­стика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

Рис. 3.13. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона при обратном ток

Кремниевые стабилитроны могут быть изго­товлены на малые напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзи­сторных устройств.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются следующие величины. Напряжение стабилизации U_СТ может быть от 3,3 до 200 В, изменение тока стабилитрона от I_min до I_mах состав­ляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность Р рассеиваемая в стабилитроне,— от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференци­альное сопротивление r_ст = ∆U_ст/∆I_ст в режиме стабилизации может быть от десятых долей ома для низковольтных более мощных стабилитронов до 100 - 200 Ом для стабилитронов на более высокие напряжения. Низковольтные стабилитроны неболь­шой мощности имеют сопротивление r_ст, равное единицам и десяткам ом. Чем мень­ше r_ст, тем лучше стабилизация. При идеальной стабилизации было бы r_ст = 0. Так как R_д является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, т. е. сопротивлением постоянному току R_стат = U_ст/I_ст. Сопротивление R_стат всегда во много раз больше r_ст. Влияние температуры оце­нивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который представляет собой относительное изменение напряжения U_СТ при изменении тем­пературы на один градус, т. е.

α_ст = TКН = . (3.15)

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10^-5 до 10^-3 К^-1. Значение U_ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного полу­проводника. Стабилитроны на напряжения до 3.3 — 7 В изготовляются из кремния с малым удельным сопротивлением, т. е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах п-р-переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то п-р-переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавин­ным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Простейшая схема применения стабилитрона показана на рис. 3.14. Нагрузка включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабили­зации, когда напряжение на стабилитроне остается почти постоянным, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника Е при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резисто­ром R_огр.

Рис. 3.14. Схема включения стабилитрона

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_H постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_orp должно быть вполне определенным. Обычно R_oгp рассчитывают для средней точки Q характеристики стабилитрона. Если напряжение Е меняется от E_min до Е_mах, то можно R_огр найти по следующей формуле :

R_огр = (U_ср – U_ст)/(I_ст + I_Н), (3.16)

где E_ср = 0,5(E_min + E_max) — среднее напряжение источника; I_ст = 0,5 (I_min + I_max) -средний ток стабилитрона; I_Н = U_ст/R_Н — ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке останется почти постоянным.

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации К_ст, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы по рис. 3.14 можно написать:

K_ст = (∆E/E)/(∆U_ст/U_ст) = (3.17)

Следует еще отметить, что если имеют место пульсации напряжения Е, то стабилитрон значительно сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Оно обычно во много раз меньше R_oгp. Поэтому большая часть напряжения пульсаций поглощается в R_aгp, а на стабилитроне и на нагрузке будет лишь малая часть этого напряжения.

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Е = const, R_H изменяется в пределах от R_Hmin до R_Hmax. Поскольку R_огp постоянно и падение напряжения на нем, равное Е — U_СТ, также постоянно, то и ток в R_oгp, равный (I_ст + I_Н), должен быть постоянным. Но это возможно только в том случае, если ток стабилитрона I_ст и ток 1_H изменяются в оди­наковой степени, но в противоположные стороны. Например, если I_H увеличи­вается, то ток I_ст на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Варикапы

Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость (рис.3.2). Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые не механически, а электрически, т. е. изменением обратного напря­жения.

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных кон­туров, а также в некоторых специальных схемах, например в так называемых параметрических усилителях. На рис. 3.15 показана простейшая схема включения варикапа в колебательный контур. Изменяя с помощью потенциометра R обрат­ное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура. Конденсатор С_р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L.

Рис. 3.15. Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве конденсатора

В качестве варикапов можно использовать кремниевые стабилитроны при напряжении ниже U_СТ, когда обратный ток еще очень мал и, следовательно, обратное сопротивление очень велико.

3.11. Туннельные и обращённые диоды

Туннельный диод изго­товляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (10¹⁹ — 10²⁰ см^-3), т.е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырож­денном полупроводнике получается в десятки раз тоньше (10^{-6 см), чем в обыч­ных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нем достигает 106} В/см.

В туннельном диоде, как и в обычном, происходит диффузионное пере­мещение носителей через электронно-дырочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет туннель­ный эффект. Он состоит в том, что в соответствии с законами квантовой физики при достаточно малой толщине потенциального барьера существует воз­можность для проникновения электронов через барьер без изменения их энергии.

Рис. 3.16. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 3.16. При U = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В даст возрастание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току:

. (3.18)

После этого участка ток снова возрастает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рис. 3.16 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательным сопротивлением скомпенсировать положительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получить режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно уничтожить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Схема генератора колебаний с туннельным диодом показана на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Схема включения туннельного диода для генерации колебаний

Туннельный переход электронов сквозь потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки времени: 10^-3 - 10^-5 нс. Поэтому туннельные диоды хорошо работают на сверхвысоких частотах. Напри­мер, можно генерировать и усиливать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц.

Рис. 3.18. Вольт-амперная характеристика и условное графическое изображение обращенного диода

Если для диода применить полупроводник с концентрацией примеси около 10¹⁸ см^-3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и на вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рис. 3.18). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежyему значителен, и поэтому такой диод хорошо пропускает ток в обратном направлении. Подобные диоды, полу­чившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.