Тема 1. Полупроводниковые приборы

Классификация полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в р-n переходе.

Первую группу составляют выпрямительные диоды, для которых основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. В настоящее время наи­большее распространение получили кремниевые выпрямительные дио­ды, которые имеют следующие преимущества:

- во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении;

- высокое значение допустимого обратного напряжения, которое до­стигает 1000... 1500 В, в то время как у германиевых диодов оно на­ходится в пределах 100...400 Вт;

- работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температу­рах от –60 до +150 °С, германиевых – от –60 до +85 °С.

Однако в выпрямительных устройствах низких на­пряжений выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопроти­вление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремние­вых, при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассе­иваемую внутри диода.

По значению выпрямленного тока выпрямительные диоды делят на диоды малой (I _пр < 0,3 А), средней (0,3 А < I _пр < 10 А) и большой (I _пр > 10 А) мощности.

Вторая группа диодов – высокочастотные и импульсные. В них так­же используют вентильный эффект, но это маломощные приборы, ра­ботающие при высоких частотах или в быстродействующих импульс­ных устройствах.

По способу изготовления р-п -перехода импульсные диоды подраз­деляют на точечные, сплавные, сварные и диффузионные.

Диоды третьей группы – стабили­троны. Они работают в режиме элек­трического пробоя, который наблюдается при обратном смещении диода. Материа­лы, используемые в стабилитронах, име­ют высокую концентрацию примесей, что приводит к тому, что напряженность электрического поля в их р-п -переходах значительно выше, чем у остальных типов диодов. За счет этого при относительно небольших обратных на­пряжениях в р-п переходе возникает электрический пробой. Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. Обыч­но у низковольтных стабилитронов более вероятен туннельный пробой, а у высоковольтных – лавинный. В обоих случаях сильного нагрева р-п -перехода не происходит, поэтому теплового пробоя не наступает.

ВАХ стабилитрона представлена на рисунке 3.

Рисунок 3

Если приложенное к стабилитрону обратное напряжение превысит некоторое граничное значение, то в нем начинается процесс лавинообразного нарастания тока I _обр. При этом электриче­ский пробой переходит в тепловой. Электрический пробой в р-п -переходе обратим, т. е. после уменьшения напряжения U _обр ток I _обр уменьшается. Тепловой пробой необратим, так как разру­шает р-п -переход. Механизм теплового пробоя состоит в следующем. При некотором значении пробивного напряжения мощность, выделяющаяся в диоде, не успевает от­водиться от перехода, что ведет к увеличению его температуры и, следовательно, обратного тока и дальнейшему повышению темпе­ратуры. Возникает положительная обратная связь, и переход вследствие перегрева разрушается.

Стабилитроны применяют в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Наряду со стабилитронами для этих целей применяют также стабисторы. Отличие стаби­литрона от стабистора заключается в используемой для стабили­зации напряжения ветви ВАХ (у стабилитронов используют обратную ветвь, у стабисторов – прямую). Для стабилизации высо­кого напряжения (U > 3B) используют стабилитроны, а для стабилизации небольших значений напря­жений (< 3 В) используют стабисторы.

В диодах четвертой группы используют емкостные свойства р-п -перехода. В связи с тем, что р-п -переход представляет собой область, обедненную носителями зарядов, то его мож­но рассматривать как своеобразный плоский конденсатор, емкость ко­торого определяется шириной р-п- перехода. Если к диоду приложить обратное напряжение и изменять его величину, то ширина р-п -перехо­да также будет изменяться, что эквивалентно изменению его емкости. Такое свойство р-п- перехода позволяет использовать полупроводнико­вый диод в качестве прибора с электрически управляемой емкостью – варикапа. Вольт-фарадная характеристика варикапа показана на рисунке 4.

Рисунок 4

Кроме рассмотренных выше диодов в электронных устройствах ши­роко используют диоды Шотки (рисунок 5, а), а в специальных случаях – туннель­ные диоды (рисунок 5, б).

Рисунок 5

Основным элементом диодов Шотки (ДШ) является электронный переход металл – полупроводник с нелинейной ВАХ. Свойства ДШ во многом сходны со свойствами диодов с несимметричными р-п -пе­реходами. Кроме того, диоды Шотки используют в качестве элементов микросхем для улучшения их характе­ристик. Существенное отличие ДШ состоит в том, что в них прохожде­ние тока осуществляется основными носителями зарядов и не связано с инжекцией неосновных носителей зарядов и их рассасыванием, что обеспечивает значительно лучшие частотные характеристики таких ди­одов и повышает их быстродействие в импульсных устройствах. Кроме того, сопротивление барьера Шотки при прямом напряжении меньше прямого сопротивления р-n -перехода, поэтому прямые ветви ВАХ вы­прямительного диода с барьером Шотки и диода с р-п- переходом от­личаются.

Туннельный диод — занимает особое место среди полупровод­никовых диодов из-за свойственной ему внутренней положитель­ной обратной связи по напряжению и хороших динамических свойств. Его ВАХ (рисунок 5, б) имеет участок отрицательного дифференциаль­ного сопротивления. Это позволяет использовать туннельный диод в качестве усилительного элемента в СВЧ усилителях и в автогенераторах.

Особую группу составляют излучающие диоды и фотодиоды.

Излучающий диод (УГО представлено на рисунке 6, а) – полупроводниковый диод, излучающий из области р-п -перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы:

- диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды;

- диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие назва­ние ИK-диоды.

Принцип действия обоих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот послед­ней определяется типом исходного полупроводникового материала.

Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид гал­лия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделяе­мой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения в лучшем случае прихо­дится 10...20%. Поэтому КПД светодиодов невелик.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды —в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.

Фотодиод (УГО показано на рисунке 6, б) – полупроводниковый прибор, принцип действия ко­торого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – ге­нерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов)свободных носителей заряда.

Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток.

а б

Рисунок 6

Доцент кафедры ОТЗИ И. Щудро

Дата добавления: 2014-01-07