Полупроводниковые стабилитроны

Полупроводниковые стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя - перехода при включении диода в обратном направлении.

Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой пробой носит лавинный характер. Материалы, используемые для - перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в - переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в -переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме электрический пробой не переходит в тепловой.

Стабилитроны изготавливают 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.12.

Рис. 12. Условное обозначение (а);

вольт-амперная характеристика стабилитрона (b)

В точке, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50-100 мкА. После этой точки ток резко возрастает, и допустимая величина его ограничивается лишь мощностью рассеяния :

.

В современных стабилитронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока приводит к выходу стабилитрона из строя.

Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя - перехода, зависит от концентрации примесей в - структуре и лежит в пределах 4 - 200 В.

Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики

(от до ) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона:

.

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

Кроме, перечисленных выше, к параметрам стабилитрона относится температурный коэффициент напряжения , показывающий относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус:

.

Стабилитроны широкого применения обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом напряжения ( ≈ 10^-3 К^-1). Более высокой температурной стабильностью обладают прецизионные стабилитроны (рис. 13, a), в которых последовательно соединены три - перехода. Один из них - стабилизирующий - включен в обратном направлении, два других - термокомпенсирующих - включены в прямом направлении.

Рис.13. Структура прецизионного стабилитрона с термокомпенсирующими переходами (а); условное обозначение двуханодного диода (b)

При повышении температуры напряжение на стабилизирующем переходе растет, а на термокомпенсирующих переходах - уменьшается, поэтому результирующее напряжение на стабилитроне изменяется незначительно и температурный коэффициент получается около 10^-5 К^-1.

Для стабилизации двухполярных напряжений и для защиты электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей применяют двуханодные стабилитроны (рис 13, b), которые имеют симметричную вольт-амперную характеристику. Такие стабилитроны изготовляют путем введения примесей в пластину кремния одновременно с двух сторон. При этом образуются два p-n-перехода, включенных встречно. Для ограничения амплитуды импульсов напряжения разработаны импульсные, «быстрые» стабилитроны. При мгновенном изменении напряжения нарастание лавины в них происходит за очень короткий промежуток времени (порядка 10^-11 с). Это обстоятельство позволяет использовать импульсный стабилитрон в качестве инвертированного диода, в котором участок лавинного пробоя можно рассматривать как прямую ветвь вольт-амперной характеристики импульсного диода.

Разновидностью стабилитрона является стабистор — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Отличительной особенностью стабисторов, по сравнению со стабилитронами, является меньшее напряжение стабилизации, которое составляет примерно 0,7 В. Для увеличения напряжения стабилизации используют последовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или сформированных в одном кристалле. Для увеличения крутизны прямой ветви вольт-амперной характеристики базу стабистора делают низкоомной. Из-за малого сопротивления базы толщина - перехода оказывается очень небольшой, поэтому напряжение пробоя стабисторов не превышает нескольких вольт.

Импульсные диоды

Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.

При быстрых изменениях напряжения на диоде в - переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое – это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении, т.е. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) - рассасывание этого заряда. Второе явление – это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени , где - дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а - барьерная емкость - перехода.

Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.

Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) (рис.14.) При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области базы (это высокоомная -область).

При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления – интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: >500 нс; =150…500 нс; =30…150 нс, =5…30 нс; =1…5 нс и <1 нс.

Рис.14. Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рис.15), что связано с повышенным напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.

Рис. 15. Процесс переключения диодаиз закрытого состояния в открытое

Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода – временем установления прямого напряжения , равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.

Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Атомы золота служат дополнительными центрами рекомбинации, в результате их введения уменьшается время жизни носителей заряда, а, следовательно, и диффузионная емкость - перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (рис.16), в которых переход выполнен на основе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.16.

Рис.16. Условное обозначение диода Шоттки

У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки напоминает характеристику диодов на основе - переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8 - 10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи - малы (доли-десятки наноампер).

Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Высокочастотные диоды

Высокочастотные диоды предназначены для нелинейных электрических преобразований сигналов на частотах до сотен мегагерц. Их применяют в детекторах высокочастотных сигналов, преобразователях частоты, модуляторах и т. д. Отличительной особенностью этих диодов является незначительная величина барьерной емкости, что достигается путем уменьшения площади - перехода. Поэтому высокочастотные диоды являются точечными или микросплавными. Для уменьшения времени жизни носителей в базу диода вводят примесь золота. Параметры у высокочастотных диодов те же, что и у низкочастотных выпрямительных диодов. В СВЧ-диодах обычно используют точечный контакт, осуществляемый простым прижимом к поверхности полупроводника острия металлической контактной пружины. Эти диоды изготовляют из низкоомного материала с малым временем жизни носителей заряда. Они имеют небольшой радиус точечного контакта (2 - 3 мкм), что обеспечивает получение незначительной барьерной емкости. Напряжение пробоя СВЧ-диодов очень низкое (3 - 5 В), а прямое напряжение относительно высокое. Конструкция СВЧ-диодов обычно приспособлена к сочленению с элементами коаксиального или волноводного тракта.

Туннельные диоды

В туннельных диодах используют контакт вырожденных полупроводников, на вольт-амперной характеристике которых при прямом напряжении имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис.17, a).

Рис. 17. Вольт-амперные характеристики

туннельного (а) и обращенного диодов (b);

условные обозначения туннельного (c) и обращенного диодов (d)

Ниже перечислены специфические параметры туннельных диодов.

Пиковый ток - прямой ток в точке максимума вольт-амперной характеристики. Его значение может находиться в интервале от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер.

Ток впадины I_в - прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики.

Отношение токов I_п / I_в - отношение пикового тока к току впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия I_п / I_в > 10, для германиевых туннельных диодов I_п / I_в = 3...6.

Напряжение пика U_п - прямое напряжение, соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия U_п = 100...150 мВ, для германиевых диодов U_п = 40...60 мВ.

Напряжение впадины U_в - прямое напряжение, соответствующее току впадины. У туннельных диодов из арсенида галлия U_в = 400...500 мВ, у германиевых диодов U_в = 250...350 мВ.

Напряжение раствора U_рр - прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.

Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет применять туннельные диоды для усиления, генерирования, переключения и преобразования электрических колебаний.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенностью является то, что вместо участка с отрицательным сопротивлением на вольт-амперной характеристике имеется практически горизонтальный участок (см. рис.17, б). В этих диодах обратная ветвь соответствует проводящему состоянию, а прямая ветвь - закрытому состоянию. Поэтому обращенный диод обладает выпрямительным эффектом. В обращенных диодах отсутствует накопление неравновесного заряда, то есть они могут применяться на СВЧ. Обращенные диоды из арсенида галлия имеют максимальный ток в проводящем состоянии около 3 мА при напряжении около 0,15 В . В закрытом состоянии ток составляет от 0,05 до 0,15 мА при напряжении менее 0,9 В.

Варикапы

Полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в качестве управляемой (нелинейной) емкости, т.е. зависящей от приложенного напряжения, называют варикапами. В качестве управляемой емкости используется барьерная емкость - перехода и ее зависимость от приложенного обратного напряжения (рис.18,а). Номинальная емкость большинства варикапов (емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения - обратном напряжении, которое чаще всего составляет 4 В) лежит в пределах от 2 до 600 пФ, в зависимости от типа варикапа. Заметим, что в качестве варикапов можно использовать плоскостные кремниевые диоды.

К основным параметрам варикапов (помимо номинальной емкости) относятся: максимальная емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения; минимальная емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения; коэффициент перекрытия - отношение максимальной емкости к минимальной (для большинства приборов эта величина лежит в пределах от 1,5 до 4,4).

Рис. 18. Зависимость барьерной емкости диода

от величины обратного напряжения (а); условное обозначение варикапа (b)

Светодиоды

Светодиоды - полупроводниковые источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через - -переход. Приборы, излучающие в видимом диапазоне, принято называть светоизлучающими диодами - СИД. В своем большинстве они используются как индикаторы для отображения информации, а также как малоинерционные источники света для генерации световых импульсов малой длительности. Приборы, излучающие в ближней инфракрасной области спектра, принято называть ИК-светодиодами. Они, как правило, предназначены для работы в качестве источников излучения в различного рода оптоэлектронных устройствах, в системах автоматического контроля, в датчиках, в системах накачки, ИК-подсветки.

В основе принципа действия лежит явление излучения, связанное с самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при протекании прямого тока через - переход. Электроны, находящиеся в зоне проводимости рекомбинируют с дырками в валентной зоне и отдают энергию равную ширине запрещенной зоны , которая обычно выделяется в виде фононов (квантов тепла) и частично в виде фотонов (квантов света).

Отношение числа излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей называют внутренним квантовым выходом, он обычно составляет несколько процентов. Частота генерируемых электромагнитных колебаний зависит от ширины запрещенной зоны и постоянной Планка

.

Поскольку в реальных полупроводниках рекомбинация происходит между электронами и дырками, находящимися в самых различных энергетических состояниях, возникающее излучение оказывается некогерентным, а спектр излучения - размытым. Спектральная характеристика и условное обозначение светодиода приведено на рис. 19.

Рис.19. Спектральные характеристики светодиодов (а); зеленый (1), красный (2). Условное обозначение светодиода (b)

Фотодиоды

Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется управление величиной обратного тока с помощью света. Фотодиод устроен так, что в нем обеспечивается доступ света к - переходу. В отсутствие светового потока в фотодиоде при обратном напряжении существует небольшой обратный ток, называемый темновым током. При воздействии света в области p-n-перехода происходит генерация электронно-дырочных пар, и обратный ток возрастает. Если внешняя цепь разомкнута, то возникшие в результате генерации носители заряда накапливаются в - и - областях структуры, вследствие чего уменьшается ширина - перехода и снижается высота потенциального барьера. В результате на зажимах фотодиода появляется фото-ЭДС, зависящая от величины светового потока. Устройство фотодиода и схема его включения показаны на рис.20, а, а на рис. 20, б приведено его условное обозначение.

Фототок, возникающий в диоде под действием света, пропорционален величине светового потока:

,

где - интегральная чувствительность, характеризующая величину фототока, возникающего при облучении фотодиода потоком белого света яркостью в 1 лм.

Направление фототока совпадает с направлением теплового тока, то есть отрицательное.

Рис.20. Устройство фотодиода и схема его включения (a); условное обозначение фотодиода. (b)

Рис.21. Вольт-амперные характеристики диода

В общем случае уравнение вольт-амперной характеристики фотодиода с учетом принятых положительных направлений тока имеет вид

.

Здесь - напряжение на диоде.

Если , то , то есть в цепи имеется обратный ток, зависящий от светового потока.

Если в цепи отсутствует источник постоянного напряжения ( ) , то обратный ток создает на резисторе падение напряжения . Ток в этом случае будет равен

.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: фотодиодном или фотогальваническом. В фотодиодном режиме на диод подают обратное напряжение. В этом режиме ток и напряжение определяются по пересечению нагрузочной линии с одной из вольт-амперных характеристик. При изменении светового потока изменяются ток в цепи и напряжение на диоде.

В фотогальваническом режиме внешний источник напряжения в цепи отсутствует. Режим работы определяется также по пересечению нагрузочной линии с соответствующей вольт-амперной характеристикой. В данном случае она проходит через начало координат. При R = 0 (короткое замыкание) нагрузочная линия совпадает с осью ординат, а при R = ∞ (обрыв цепи) она совпадает с осью абсцисс. По точкам пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения можно определить фото-ЭДС при разных световых потоках. У кремниевых фотодиодов она составляет около 0,5 - 0,55 В.

Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, обычно называют полупроводниковыми фотоэлементами. Их используют для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Оптимальным режимом для фотоэлементов является такой режим, когда в нагрузку передается наибольшая мощность. Такая мощность получается при условии, что площадь прямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются вольт-амперная характеристика и нагрузочная линия, оказывается наибольшей. В этом случае напряжение на нагрузке составляет 0,35 - 0,4 В, а плотность тока - 15 - 20 мА/см² при средней освещенности солнечным светом.

Оптопары

Оптопарами называют приборы, в которых конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В оптопаре светоизлучающий диод преобразует электрический сигнал в световой, который через оптическую среду передается на фотоприемник, где снова преобразуется в электрический сигнал. Такое двойное преобразование сигнала позволяет устранить электрическую связь между источником сигнала и нагрузкой. В качестве фотоприемника помимо фотодиодов используют фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы.

Магнитодиоды

Магнитодиодный эффект заключается в относительно резком возрастании сопротивления полупроводникового диода в прямом направлении под воздействием поперечного магнитного поля. Наиболее отчетливо этот эффект проявляется при несимметричном - переходе и удлиненной базе, т. е. когда концентрация равновесных носителей заряда, например, в - области, много больше, чем в n-области, и расстояние между - переходом и вторым контактом значительно превышает диффузионную длину. Возрастание сопротивления такого диода после появления поперечного магнитного поля обусловлено уменьшением подвижности носителей заряда, что приводит к росту сопротивления базы.

Полупроводниковые приборы, в которых используется магнитодиодный эффект, предназначенные для применения в качестве датчиков магнитного поля, называют магнитодиодами. Они обладают чувствительностью к магнитному полю, в сотни и тысячи раз большей чувствительности датчиков Холла и магниторезисторов. Это существенно упрощает схемное решение многих задач, так как исключает необходимость в промежуточных усилителях: сигнал можно подавать непосредственно на регистрирующий или исполнительный орган того или иного устройства.

Магнитодиоды получили распространение в качестве преобразователей малых механических перемещений в электрические сигналы достаточно большой амплитуды - бесконтактных механических переключателей (коммутаторов) электрических сигналов. Одно из применений коммутаторов - бесколлекторные двигатели постоянного тока. Кроме того, их используют для измерения магнитных полей, магнитодефектоскопии изделий из ферромагнитных материалов (стальные трубы, рельсы, канаты, прокат и т. д.), снятия информации в магнитных устройствах памяти, измерения СВЧ-мощности и ее пространственного распределения, ввода информации в ЭВМ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бонч – Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. – М.: Наука, 1990. – 688 с.

2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – СПб.: Из – во “Лань”, 2001. – 480 с.

3. Жеребцов И.П. Основы электроники. – М.: Радио и связь, 1985.

4. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомсудост, 1990 – 576 с.

Лабораторная работа № 202