Разновидности и области применения полупроводниковых диодов

В зависимости от типа используемых полупроводников и степени их легирования можно создать диоды, обладающие характерными особенностями и имеющие определенное функциональное назначение.

Рассмотрим особенности различных типов диодов (см. рис. 1.4, в), их параметры и области применения.

Выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления низкочастотного переменного тока, используются в устройствах питания. Существуют кремниевые, германиевые и селеновые плоскостные диоды (сплавные и диффузные). Условия применения выпрямительных диодов определяют предельные значения их параметров:

максимальный средний прямой ток Iпр max;

максимальный импульсный прямой ток Iи.пр max;

максимальное обратное напряжение Uобр max;

среднее за период значение обратного тока Iобр при заданном обратном напряжении Uобр.

Мощные выпрямительные диоды пропускают прямой ток до 1500 А, а высоковольтные кремниевые диоды выдерживают обратное напряжение до 1600 В. Для отвода тепла мощные диоды монтируются на металлических радиаторах, имеющих большую поверхность и высокую теплопроводность.

Высокочастотные диоды (детекторные, смесительные и модуляторные) применяют для детектирования маломощных ВЧ сигналов. В этом случае существенное значение имеет собственная емкость диода, для уменьшения которой используется контактная технология, позволяющая формировать небольшую базовую область р-п-перехода в месте контакта острия вольфрамовой иглы с полупроводником. Эта технология заключается в следующем: мощный импульс тока разогревает место контакта, возникает диффузия вольфрама в полупроводник и после его охлаждения образуется небольшая область перехода. Емкость такого диода, составляющая десятые доли пикофарад (пФ), обеспечивает диапазон рабочих частот 300ѕ600 МГц. Точечные диоды на более высокие частоты изготавливают с использованием прижимного контакта металл—полупроводник без разогревания. Такие диоды могут работать при частотах до 20 ГГц.

Основными характеристиками ВЧ диодов являются: предельная частота, дифференциальное прямое сопротивление переменному току Rд = DUпр/DIпр (гдеDUпри DIпр— изменения прямых напряжения и тока) и емкость диода Сд. Остальные их параметры аналогичны параметрам низкочастотных выпрямительных диодов.

Импульсные диоды (мезодиоды, диоды с накоплением заряда, диоды Шоттки) работают в режиме электронного ключа в импульсных схемах, т.е. у них имеется два состояния: открыто—закры­то. При этом в открытом состоянии диод должен иметь малое сопротивление, а в закрытом — большое. Быстродействие импульсных схем определяется временем перехода диода из одного состояния в другое. Условия применения импульсных диодов определяют предельные значения их параметров:

максимальный выпрямленный ток Iпр max;

максимальный импульсный прямой ток Iи.пр max;

максимальное обратное напряжение Uобр max;

максимальный обратный ток Iобр max;

прямое импульсное напряжение на диоде при заданном импульсе прямого тока;

емкость Сд;

время включения tвкл;

время восстановления обратного сопротивления tвос.

В мезодиодах р-п-переход формируется путем травления полупроводника.

В диодах с накоплением зарядов р-n-переход формируется мето­дом диффузии, благодаря чему в приповерхностном слое создается большой градиент концентрации примеси. В результате возника­ет электрическое поле, направленное в сторону возрастания концен­трации примеси, обеспечивающее накопление зарядов вблизи границы р- и п-областей, что ускоряет переходные процессы.

Диоды с накоплением заряда способны накапливать и удерживать заряд в потенциальных ямах. Они используются как элементы задержки включения за счет наличия стадии рассасывания зарядов, а также как элементы памяти. С их помощью формируют задер­жку в слаботочных импульсных приборах. На их основе созданы приборы с зарядовой связью: ПЗС-линейки и ПЗС-матрицы. Послед­ние используются как быстродействующие запоминающие устройства и элементы памяти.

Диоды Шоттки работают на основе перехода металл—n-полупроводник. При этом металл имеет работу выхода больше, чем полупроводник n-проводимостью. На границе раздела формируется контактный выпрямляющий переход.

Прямой ток возникает за счет основных носителей зарядов металла (электронов). В отличие от обычных диодов накопления зарядов в переходе диода Шоттки не происходит, т.е. эти диоды имеют малую емкость р-n-перехода (Сp-n < 1 пФ) и у них нет стадии рассасывания зарядов. Благодаря этому диоды Шоттки обладают высоким быстродействием и могут работать на частотах до 10 ГГц. Вместе с тем они характеризуются малыми токами и имеют малое обратное напряжение пробоя.

Диоды Шоттки нашли широкое применение в транзисторных клю­чевых схемах. Транзисторный ключ в сочетании с диодом Шоттки имеет повышенное быстродействие и называется транзисто­ром Шот­тки. Это сочетание часто применяется в логических микросхемах.

Стабилитрон — полупроводниковый плоскостной диод из сильно­легированного кремния. ВАХ стабилитрона имеет вид кривой 1, представленной на рис. 1.4, б. На участке электрического пробоя дифференциальное сопротивление Rд=dU/dI очень мало. Резкий рост обратного тока наблюдается вблизи значения обратного напряжения, равного Uпроб. Поскольку вблизи Uпробмалое изменение обратного напряжения соответствует большому изменению обратного тока, напряжение пробоя называют напряжением стабилизации Uст. Основными параметрами стабилитронов являются:

напряжение стабилизации Uст;

дифференциальное сопротивление Rдпри напряжении Uст;

температурный коэффициент напряжения стабилизации

a = (DUст/Uст)/DT

(где DUст— изменение напряжения стабилизации при изменении температуры DT);

минимально допустимый ток стабилизации Imin, при котором Uстнаходится в заданных пределах;

максимально допустимый ток стабилизации Imax;

максимально допустимая рассеиваемая мощность Рр max.

Стабилитроны применяют в устройствах питания для стабилизации напряжения (см. гл. 4). В зависимости от структуры, состава и конструкции стабилитроны имеют разные значения напряжения стабилизации. Имея разные номиналы, они обеспечивают диапазон стабилизации напряжения в блоках питания от 3 до 200 В. Стабилизация осуществляется при обратном напряжении на стабилитроне, и идет она тем лучше, чем круче кривая зависимости тока от напряжения и соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление.

Варикап — полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости протяженного и слаболегированного р-п-перехода от обратного напряжения. Емкость варикапа с увеличением обратного напряжения уменьшается примерно от 500 до 50 пФ.

Варикапы — это диоды с низколегированной областью между п- и р- областями. При обратном включении такого диода его емкость изменяется пропорционально напряжению. Варикапы используются в колебательных контурах с управляемой резонансной частотой в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн СВЧ (от 300 МГц до 30 ГГц). Наиболее часто варикап используется для формирования радиосигналов с линейной частотной модуляцией.

Туннельными являются диоды с высокой концентрацией легирующих присадок и узкими p-n-переходом и запрещенной зоной. В p-n-переходе такого диода при прямом включении возникают высокие напряжения, и электроны туннелируют в р-область. Туннельный эффект состоит в способности заряженной частицы проникнуть за потенциальный барьер даже в том случае, если ее энергия ниже потенциального барьера.

В сильных электрических полях вблизи границы раздела р- и п-областей туннельных диодов может образоваться тонкий потенциальный барьер, через который с определенной вероятностью электроны проходят без изменения собственной энергии благодаря туннельному эффекту. Формируемая в результате N-образная ВАХ с ниспадающим участком и отрицательной дифференциальной проводимостью позволяет использовать туннельные диоды в качестве генераторов СВЧ колебаний на частотах от 10 до 100 ГГц.

Светодиод излучает свет при прохождении прямого инжекционного тока. Этот ток называется инжекционным, так как при нем происходит впрыскивание электронов из п-области в р-п-переход. Излучение света связано с рекомбинацией носителей зарядов (электронов и дырок), а также с возбуждением валентных электронов атомов р-области электронами, проникающими через р-п-переход. Основными характеристиками светодиодов являются предельные ток и напряжение питания, крутизна ВАХ и квантовый выход (отношение потребляемой мощности к мощности излучения).

Фотодиоды создаются на основе использования эффекта возбуждения электронов полупроводника квантами света. Если р-п-переход осветить светом, то в нем возникают носители зарядов (электроны и дырки), увеличивающие прямую и обратную прово­димости. Наиболее чувствительными являются фотодиоды, основан­ные на изменении собственной проводимости полу­про­вод­никовых структур, и лавинные фотодиоды. В средней части p-i-п-структуры фотодиода находится полупроводник без приме­сей, обладающий слабой собственной проводимостью. Однако его проводимость резко возрастает под действием света, и при подаче прямого или обратного напряжения на фотодиод возникает ток, пропорциональный интенсивности поданного света.
В лавин­ных фотодиодах используются более сложные полупроводниковые структуры и более высокие напряжения (около 100 В). Возни­кающие под действием света возбужденные электроны ускоря­ются электрическим полем и, соударяясь с атомами полупроводника, вызывают лавинный поток вторичных электронов.

Основными характеристиками фотодиодов являются пороговая чувствительность (минимальная мощность излучения, регистри­руемая фотоприемником), чувствительность (отношение изменения тока или напряжения на выходе фотоприемника к мощности на входе) и время срабатывания или предельная частота воспроизведения входного сигнала.

Полупроводниковые диоды широко используются в электронной технике. Их применяют как смесители частот сигнала и гетеродина в супергетеродинных схемах, для детектирования радиосигналов, выпрямления переменного напряжения (выпрямители), селекции импульсов определенной полярности (импульсные диоды), стабилизации напряжения (стабилитроны), в качестве управ­ляемой напряжением емкости (варикапы) и т.п.

Туннельные диоды с N-образной ВАХ и диоды с S-образной ВАХ используются для генерации СВЧ колебаний.

Существуют и специализированные диоды – диоды Гана и обращенные диоды, используемые в СВЧ генераторах и усилителях.

Используют и такие специализированные полупроводниковые устройства варисторы и термисторы. В термисторах, в отличие от резисторов сопротивление при нагреве падает. Поэтому их используют в качестве компенсаторов температурного изменения в резисторах.

В импульсной технике широкое распространение получили диодные электронные ключи, работающие по принципу включено — выключено (ток есть — тока нет). Применяются последовательные и парал­лельные схемы диодных ключей. В схемах последовательных диодных ключей диод пропускает ток только в одном направ­лении (от плюса к минусу) как в выпрямителях (см. гл. 4). При параллельном соединении используются стабилитроны (см. раздел 4.3).

Биполярные транзисторы

Транзисторы — это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подобные электровакуумному триоду, предназначенные для усиления тока или напряжения. Различают биполярные транзисторы, обычно называемые просто транзисторами, полевые транзисторы и фототранзисторы.

Биполярный транзистор — это прибор, составленный из полупроводников с двумя р-п-переходами и имеющий три вывода: эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К). Существуют два типа биполяр­ных транзисторов: п-р-п-транзисторы (рис. 1.5, а) и р-п-р-транзисторы (рис. 1.5, б). Принципы их работы аналогичны, отличаются они количеством и порядком расположения полупроводников с р- и п-проводимостями, а также полярностью подаваемого постоянного напряжения смещения.

Рис. 1.5. Структуры и УГО биполярных транзисторов п-р-п- (а) и р-п-р-типа (б)

Рассмотрим работу транзистора п-р-п-типа (рис. 1.6, а) при подаче напряжения смещения на базу. Переход база—эмиттер (или просто эмиттерный переход) такого транзистора смещен в прямом направлении напряжением UБ-Э, поэтому электроны из области эмиттера перетекают через этот переход в область базы, создавая ток IБ. Это обычный прямой ток р-п-перехода, смещенного в прямом направлении. Как только электроны попадают в область базы, они начинают испытывать притяжение положительного потенциала коллектора. Если область базы сделать очень узкой, то почти все эти электроны пройдут через нее к коллектору, и только очень малая их часть соберется базой, формируя базовый ток IБ. Фактически более 95% всех электронов эмиттерного тока IЭсобирается коллектором, формируя коллекторный ток IК транзистора. Таким образом, IЭ= IБ+ IК.

Так как базовый ток IБочень мал (чаще всего он измеряется микроамперами), то им обычно пренебрегают. Тем самым предполагают, что токи эмиттера и коллектора равны, и каждый из них называют током транзистора.

Рис. 1.6. Схемы протекания тока в п-р-п- (а) и р-п-p-транзисторах (б) при подаче напряжения смещения на базу

Отметим, что переход база—коллектор (или просто коллекторный переход) смещен в обратном направлении напряжением UБ-К. Это необходимое условие работы транзистора, поскольку в противном случае электроны не притягивались бы к коллектору. При этом в соответствии с правилом выбора направления тока (от положительного потенциала к отрицательному) считается, что ток транзистора течет от коллектора к эмиттеру.

В р-п-р-транзисторах полярность подаваемого напряжения смещения должна быть обратной (рис. 1.6, б). В этом случае ток транзистора будет представлять собой перемещение дырок от эмиттера к коллектору или электронов от коллектора к эмит­теру.