Устройство, характеристики и классификация диодов

Свойства полупроводников, легированных присадками, создающими р- и п-проводимость, подробно рассматривались в подразд. 1.3.. Там же были рассмотрены и свойства контактного слоя, называ­емого р-п-переходом, обладающего односторонней проводимостью (см. рис. 1.1) и характерной вольтамперной характеристикой (см. рис. 1.2).

На основе р-п-перехода создан ряд полупроводниковых приборов с односторонней (вентильной) проводимостью, называемых диодами.

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим переходом. Выпрямляющими могут быть электронно-дырочный переход (р-п-переход полупроводника одного типа), гетеропереход (контакт разнотипных полу­проводников) или контакт металл—полупроводник.

Полупроводниковые диоды широко используются в электронных устройствах. В зависимости от выполняемых функций они различаются исполнением и свойствами.

Рис. 1.4. Полупроводниковые диоды: а - структура; б — ВАХ; в — УГО; г — эквивалентная схема; д — структура диода Шоттки; 1 ...3 — кривые, соответствующие лавинному, туннельному и тепловому пробоям; Д — диод; СТ — стабилитрон; ВК — варикап; ТД — туннельный диод; ДШ — диод Шоттки; СД — светодиод; ФД — фотодиод; Сд и Rд — дифференциальные емкость и сопротивление диода, проявляющиеся при высоких частотах

Структура сплавного полупроводникового диода на основе р-п-перехода приведена на рис. 1.4, а. Электроны из области с про­водимостью п-типа в нормальном состоянии под действием температурных колебаний и диффузии перетекают в область с проводимостью р-типа и заполняют притягивающие их дырки в этой области (рекомбинируют с дырками). Перетекание электронов продолжается до тех пор, пока по обе стороны р-п-перехода ни образуется нейтральная зона, т.е. обедненный слой.

В этом обедненном слое атомы, как в диэлектрике, нейтральны и дипольно ориентированы, что приводит к возникновению потенциального барьера, препятствующего дальнейшему движению электронов через границу раздела. Для преодоления границы раздела электроны должны обладать энергией, превышающей потенциальный барьер. Источником этой энергии может служить напряжение, приложенное к полупроводникам по обе стороны р-п-перехода. При прямом включении напряжения, т.е. когда плюс подключается к полупроводнику р-типа, а минус — к полупроводнику п-типа, электрический ток потечет только тогда, когда напря­жение превысит потенциальный барьер. Высота потенциально­го барьера зависит от типа применяемого полупроводника. Если прило­женное напряжение превышает потенциальный барьер, обла­сти с электронной и дырочной проводимостью сближаются, обеднен­ная область исчезает, электроны перетекают в р-область, а дырки — в п-область и, перемещаясь от атома к атому, создают электриче­ский ток в цепи. При прямом включении на диоде существует постоянное падение напряжения, называемое прямым напряжени­ем диода (0,3 В для германиевых и 0,6 В для кремниевых), после которо­го ток при увеличении напряжения начинает нарастать (рис. 1.4, б).

При обратном включении напряжения ток через р-п-переход не проходит, т.е. р-п-переход приобретает вентильные характеристики диода на основе электронной лампы (в одном направлении поток электронов проходит и ток протекает, в другом — потока электронов нет, и ток не протекает).

Рассмотрим детально ВАХ сплавного диода в случае прямого и обратного включений напряжения, показанную на рис. 1.4, б.

Когда напряжение прямого включения U превысит по­тенциальный барьер диода, через него начинает протекать большой ток. При этом очень малое увеличение напряжения приводит к сильному увеличению тока, протекающего через диод (кривая 1). Характеристика диода при обратном включении напряжения имеет вид кривой 1, показанной в левом нижнем секторе рисунка. При таком включении напряжения через диод протекает очень малый ток (ток утечки, составляет микроамперы), определяемый наличием малого количества не­основных носителей. Значение этого обратного тока прак­тически постоянно вплоть до достижения напряжения пробоя р-п-пе­рехода (Uпроб), при котором обратный ток резко возрастает, что приводит к разрушению диода. Следовательно, при включении диода в схему следует убедиться, что обратное напря­жение на нем не превысит напряжение пробоя, указанное изготовителем.

Германиевые диоды имеют более низкое сопротивление при обратном включении, чем кремниевые и, следовательно, больший ток утечки. У них также ниже напряжение пробоя.

Для наиболее распространенных полупроводников из кремния и германия — четырехвалентных химических элементов — донора­ми являются пятивалентные вещества — фосфор, мышьяк, сурьма, а акцепторами — трехвалентные бор, алюминий, индий. Наибо­лее распространенные кремниевые диоды состоят из следующих слоев: кремния, легированного фосфором (п-область), который создает избыток электронов в зоне проводимости, т.е. электронную проводимость, и кремния, легированного бором (р-область), в котором имеется избыток атомов с недостатком электронов, т.е. преимущественно дырочная проводимость. При этом в контактной области обра­зуется р-n-переход (см. рис. 1.4, а), создающий одностороннюю проводимость и обеспечивающий характерную ВАХ диода, проводящего ток в одном направлении (в другом направлении ток близок к нулю).

При увеличении температуры прямой ток через диод увеличивается при том же приложенном напряжении. Диоды из полупроводниковых материалов с большей шириной запрещенной зоны имеют более высокий потенциальный барьер для носителей зарядов, следовательно, и прямой ток у них будет меньше при прямом одинаковом напряжении. В зависимости от конструкции, состава полупроводников и технологии изготовления диоды имеют разные ВАХ при подаче прямого и обратного напряжений (см. кривые 1…3 на рис. 1.4, б).

При обратном включении диода, начиная с малых значений обратного напряжения, обратный ток достигает насыщения и практически не изменяется до лавинного пробоя (кривая 1).

Лавинный пробой — резкое увеличение тока через диод при обратном напряжении до критического значения Uпроб— связан с образованием лавины носителей зарядов под действием сильного электрического поля, которое приводит к ускорению носителей до энергий, достаточных для обеспечения ударной ионизации с образованием новых электронно-дырочных пар. Напряжение, при котором происходит лавинный пробой, называется пробивным напряжением диода. Если подачу напряжения при пробое быстро прекратить, то диод восстановит свои функции. Однако обычно при пробое диод быстро разрушается, так как в канале пробоя резко увеличивается температура.

Туннельный и тепловой пробои характеризуют соответственно кривые 2 и 3.

Туннельный пробой возможен только в туннельных диодах, для которых характерны большая концентрация примесей, малая ширина р-п-перехода и сравнительно малая ширина запре­щенной зоны. При обратном включении диода на малой ширине перехода возникает большое напряжение, под действием которого электро­ны начинают проскакивать (туннелировать) через него. С увеличением температуры пробивное напряжение туннельного пробоя снижается. При большой ширине р-п-перехода туннельный пробой приобретает лавинный характер.

Тепловой пробой обусловлен выделением теплоты, вызванной прямым или обратным током. Обычно при возникновении тока через некоторое время диод нагревается, но избыток теплоты рассеивается радиатором и устанавливается тепловое равновесие. Однако у некоторых диодов с большим обратным током (например, германиевых) при высокой температуре окружающей среды возникает тепловой пробой, и ток резко увеличивается. Кривая 3 имеет участок (в нижнем секторе рисунка), определяющий отрицательное дифференциальное сопротивление. При длительном существовании теплового пробоя температура р-п-перехода может повыситься до температуры плавления и диод разрушится.

На рис. 1.4, в приведены условные графические обозначения диодов различного типа.

В структуре типичного германиевого выпрямительного диода (ана­логичной структуре, показанной на рис. 1.4, а) в пластинку п-гер­­мания вплавлена навеска р-германия. При этом в области их контак­та формируется р-п-переход с односторонней проводимостью.

Кроме того, существуют сплавные металлические контакты, не имеющие односторонней проводимости, например, в случае если в пластинку п-германия вплавлен индий, а в пластинку р-германия — алюминий, к которым приварены луженые медные выводы. Такие контактные выводы необходимы для соединения полупроводниковых приборов с другими устройствами методом пайки.

Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы, поэтому при прямом их включении количество неосновных носителей, перетекающих из сильно легированной области, превосходит количество носителей в противоположном направлении. Область, в которую инжекти­руются неосновные для нее носители (называемые базой диода), слабо легирована. В зависимости от соотношения толщины базы, ее площади и площади р-п-перехода диоды разделяют на плоскостные и точечные.

Точечные диоды имеют малую площадь, малую емкость (Сp-n) р-n-перехода и высокое быстродействие. В связи с малыми размерами р-n-перехода они имеют малую допустимую рассеиваемую мощность, а также малые прямое и обратное напряжения. Используются точечные диоды в высокочастотных каскадах приемных устройств и слаботочных импульсных устройствах с очень короткими импульсами или высокой частотой их следования. Применяются они в основном для детектирования высокочастотных сигналов или в качестве смесителей радиосигнала с сигналом гетеродина для выделения промежуточной частоты.

Плоскостные сплавные диоды имеют большую площадь р-n-пере­хо­да и могут пропускать большие токи. Они используются в качестве выпрямителей в блоках питания (см. гл. 2) и сильноточных импульсных цепях. Недостатками их являются большая емкость р-n-перехода, малое быстродействие и большой обратный ток (Iобр).

Плоскостные диффузные диоды, сочетающие в себе достоинства плоскостных и точечных диодов, формируются путем плотного соединения кристаллов с р- и п-проводимостью в вакуумной высокотемпературной диффузной печи. Созданный таким образом кристалл режут на отдельные кристаллы нужного размера, на которые с двух сторон наносят металлические покрытия и припаивают к ним контактные электроды. Диффузные диоды с малой площадью р-п-перехода имеют довольно высокое быстродействие, зависящее от площади поверхности используемого р-п-перехода, и применяются в качестве детекторов звуковых и видеосигналов. Диффузные диоды с большой площадью р-п-перехода используются в качестве выпрямителей в блоках питания.

В настоящее время выпускаются высокочастотные и импуль­сные диоды с улучшенными частотными характеристиками, изготовляемые методами вакуумного, плазмохимического и эпитаксиального осаждения. Эти диоды являются также элементами микросхем, производимых по микроэлектронной технологии.

Выпускаемые промышленностью германиевые плоскостные диоды классифицируются по допустимому прямому току: диоды малой мощности — до 0,3 А; средней мощности — до 10 А; большой мощности — свыше 10 А. Эти диоды могут использоваться для выпрямления тока с частотой не более 50 кГц. Их допустимое обратное напряжение не превышает 400 В. Рабочий температурный диапазон от -60 до +85°С.

Верхний предел диапазона рабочих температур диодов связан с резким увеличением обратного тока и наступлением теплового пробоя. Нижний предел обусловлен различием коэффициентов температурного расширения германия и индия, которым припаиваются контактные выводы.

Кремниевые диоды подразделяются по допустимым токам (от 0,5 до 1600 А) и допустимому обратному напряжению до 1600 В. Верхний предел рабочих температур у кремниевых плоскостных диодов 125°С. Для улучшения частотных характеристик этих диодов используется диффузия в кремний золота, создающего рекомбинационные ловушки и уменьшающего время жизни неосновных носителей. Такие кремниевые диоды называют частотными, так как они способны выпрямлять токи с частотой до 100 кГц. Срок службы кремниевых диодов превышает 100 тыс. ч.

Для увеличения допустимого обратного напряжения кремниевые диоды соединяют последовательно в выпрямительные столбы с допустимым обратным напряжением до 10 кВ. Выпускаются также выпрямительные блоки, соединенные по мостовой схеме или схеме с удвоением напряжения (см. гл. 4).

Селеновые выпрямители основаны на выпрямляющем пере­ходе полупроводников с разными составами: селена с акцепторной примесью хлора и селенида кадмия. Особенностью селеновых выпрями­телей является то, что прохождение электрического тока вызывает локальный прогрев и более интенсивное соединение кадмия с селеном, что способствует созданию равномерного по толщи­не гетероперехода. Другой особенностью этих выпрямителей явля­ется самозалечивание мест пробоя, так как в месте пробоя кристал­лический селен переходит в аморфный с более высоким сопротивлением. В селеновых выпрямителях допустимая плотность тока составляет 0,1 А/см2, допустимое обратные напряжение — 60 В, допустимая предельная температура — 75°С. Срок их службы — 10000 ч.

Переходные процессы, характеризующие быстродействие диодов, определяются не только их емкостью, но и физически­ми процессами, происходящими в полупроводниковой структуре. В частности, большую роль играют процессы накопления и рассасы­вания неосновных носителей в базе диода, а также разряд и заряд барьерной емкости. Так как электрическое поле в базе диода невелико, то движение носителей в ней подчиняется законам диффузии, а их накопление и рассасывание зависят также от количества ловушек и задержки рекомбинации, связанной с этим.

При малых плотностях тока переходные процессы в диодах определяются зарядом и разрядом их барьерной емкости. При сравнительно больших плотностях тока существенным является накопление неосновных носителей зарядов в базе диода. На частотные характеристики и длительность переходных процессов влияет также внутреннее сопротивление диода.

Эквивалентная схема для расчета частотных характеристик диодов показана на рис. 1.4, г.

Сопротивление р-п-пе­­рехода, определяемое с помощью ВАХ, R= Uд/Iд.

Длительности переходных процессов в диодах при подаче и снятии напряжения пропорциональны произведению RC.

Характеристики и рабочие частоты приводятся в паспортных данных диодов и специальной справочной литературе.

Переходные процессы и частотные характеристики диода в электрической цепи зависят также от сопротивления внешней цепи (нагрузки), в которую он включен. При увеличении сопротивления нагрузки длительность переходных процессов в диодах увеличивается.

На рис. 1.4, д приведена структура диода Шоттки, работающего на основе выпрямляющего перехода металл—полупроводник. При этом металл играет роль материала с п-проводимостью, а полупроводник имеет n- или р-проводимость. На границе их раздела формируется выпрямляющий переход (ВП). Как и в обычном полупроводниковом диоде, кроме выпрямляющего перехода, в диоде Шоттки имеются невыпрямляющие контактные переходы в местах соединения р- или п-областей полупроводника с металлическими выводами. Эти диоды имеют высокое быстродействие за счет ис­поль­зования быстрых носителей зарядов — электронов — и корот­кой стадии накопления и рассасывания неосновных носителей зарядов.