Каждый технически грамотный человек должен знать электронику. Подавляющее большинство устройств современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. По этому в рамках этой статьи, я бы хотел рассказать о диодах. Конечно, не зная основных свойств полупроводников, нельзя понять, как работает транзистор. Но одного знакомства только со свойствами полупроводников не достаточно. Необходимо разобраться в очень интересных и не всегда простых явлениях.

Краткая справка

Электро-дырочный переход (p-n переход) - это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Диоды - это полупроводниковые приборы, основой которых является p-n переход. В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электро-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Используемое свойство перехода

• Выпрямительный - асимметрия вольт-амперной характеристики
• Стабилитрон - пробой
• Варикап - барьерная ёмкость
• Импульсный - переходные процессы

Познакомимся с ними подробнее.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного сигнала в постоянный.
Рассмотрим принцип действия простейшего однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Описание работы

При поступлении от первичного источника переменного напряжения, диод будет открыт на положительной полуволне и закрыт на отрицательной. В результате на полуволне через диод и сопротивление нагрузки будет протекать ток. конденсатор при этом заряжается до значения, близкого к пиковому. При уменьшении напряжения во входной цепи диод запирается. При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки.
Недостатком является то, что выпрямительное напряжение сильно зависит от сопротивления нагрузки и имеет большую амплитуду пульсаций. Поэтому такие выпрямители применяются только при высокомерных нагрузках. Для формирования Импульсов применяются амплитудные ограничители, которые могут быть последовательными и параллельными. В последовательных диодных ограничителях диод включается последовательно с сопротивлением нагрузки.

Варикапы

Варикап - полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости.
Эти параметрические диоды работают в обратном направлении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемой не механически, а электрически, при изменении обратного напряжения.
Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров. Простейшая схема включения варикапа в колебательный контур на рисунке.

Описание работы

Настройка колебательного контура на резонансную частоту может осуществляться двумя способами. Во-первых, посредством варьирования частоты проводимого к контуру переменного входного напряжения Uвх. Во-вторых, за счет изменения частоты собственных колебаний Wо, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя величину обратного напряжения Uобр., можно регулировать емкость варикапа, а следовательно и менять резонансную частоту контура. Конденсатор Cp является разделительным. Он необходим для предотвращения шунтирования варикапа индуктивностью.

Стабилитроны

Стабилитрон - это полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения.
Участок соответствующий электрическому пробою Uпроб. на котором напряжение слабо зависит от тока, является рабочим. При использовании стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения, его включают параллельно нагрузке. Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки Rн постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Rогр. должно иметь определенное значение. Для исключения температурного дрейфа напряжение используют последовательно соединенный диод. Подобные диоды называются термокомпенсированными стабилитронами.

Импульсные диоды

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в качестве коммутирующих элементов. Существуют различные типы импульсных диодов: сплавные, точечные меза-диоды, диоды Шоттки.
Импульсные диоды широко используют в качестве коммутирующих элементов, т.е. устройств, имеющих два устойчивых состояния: «открыто», когда сопротивления прибора мало и «закрыто», когда велико.
При использовании диода в качестве ключа, могут комбинироваться различные диодные и диодно-транзисторные схемы, предназначенные для работы в цифровой аппаратуре.

В заключении

Прошу прощения за рисунки, элементы схем не по госту(их соотношение), но думаю для наглядного примера сойдет.
PS: стоит ли рассказать о транзисторах?

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ, ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ, ВАРИКАПЫ

Высокочастотные диоды

Высокочастотные диоды ‒ приборы универсального назначения. Они могут быть использованы для выпрямления, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов в диапазоне частот до 600 МГц. Высокочастотные диоды изготовля­ются, как правило, из германия или кремния и имеют точечную структуру. Конструкция точечного германиевого диода показана на рис. 6.8. Диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой вольфрамо­вой проволочки и стеклянного баллона. Размеры кристалла состав­ляют 1х1х0,2 мм. Радиус области соприкосновения проволочки с германием обычно не превышает 5‒7 мкм.

Для получения р-п перехода диод в процессе изготовления под­вергают токовой формовке. С этой целью через него в прямом направлении пропускается кратковременный импульс тока вели­чиной до 400 мА. В результате формовки тонкий слой полупровод­ника, примыкающий к острию, приобретает дырочную проводи­мость, а на границе между этим слоем и основной массой пластин­ки возникает р-п переход. Такая конструкция диода обеспечивает небольшую величину емкости р-п перехода (не более 1 пФ), что позволяет эффективно использовать диод на высоких частотах. Однако малая площадь контакта между частями полупроводника с проводимостью типа п и р не позволяет рассеивать в области р-п перехода значительные мощности. Поэтому точечные диоды менее мощные, чем плоскостные, и не используются в выпрямите­лях, рассчитанных на большие напряжения и токи. Они приме­няются, главным образом, в схемах радиоприемной и измеритель­ной аппаратуры, работающей на высоких частотах, а также в вы­прямителях на напряжения не выше нескольких десятков вольт при токе порядка десятков миллиампер.

Включение высокочастотных точечных диодов в схему прин­ципиально не отличается от включения плоскостных выпрямитель­ных диодов. Аналогичен и принцип работы точечного диода, осно­ванный на свойстве односторонней проводимости р-п перехода.

Типичная вольтамперная характеристика точечного диода по­казана на рис. 6.9,а . Обратная ветвь характеристики точечного диода значительно отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода.

Ввиду малой площади p - n перехода обратный ток диода мал, участок насыщения невелик и не так резко выражен. При увеличении обратного напряжения обратный ток возрастает почти равномерно. Влияние температуры на величину обратного тока сказывается слабее, чем в плоскостных диодах, ‒ удвоение обратного тока происходит при приращении температуры на 15‒20°С (рис. 6.9,б ). Напомним (параграф 6.1), что в плоскостных р-п переходах обратный ток возрастает примерно в 2‒2,5 раза при повышении температуры на каждые 10°С.

Свойства высокочастотных диодов характеризуют параметры, аналогичные указанным в параграфе 6.1. Существенное значение для оценки свойств высокочастотных диодов имеют:

Общая емкость диода С Д ‒ емкость, измеренная между выво­дами диода при заданных напряжении смещения и частоте.

Дифференциальное сопротивление r диф ‒ отношение прираще­ния напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

Диапазон частот ∆f ‒ разность предельных значений частот, при которых средний выпрямленный ток диода не менее заданной доли его значения на низшей частоте.

Высокочастотные точечные диоды могут быть использованы в схемах детектирования, в качестве ограничителей, нелинейных сопротивлений, коммутационных элементов и т. п.

В последние годы все большее применение находят диоды, осно­ванные на выпрямляющем действии контакта металл ‒ полупро­водник ‒ так называемые диоды Шоттки . В отличие от обычных точечных диодов, у которых контакт осуществляется прижимом металлической иглы, у диодов Шоттки контакт представляет собой тонкую пленку металла (золото, никель, алюминий, платина, вольфрам, молибден, ванадий и др.). Как было показано выше (параграф 3.8), приборы, использующие контакт металл ‒ полу­проводник, работают на основных носителях заряда, что позволяет существенно уменьшить их инерционность, а, следовательно, по­высить быстродействие. Время переключения диодов Шоттки из запертого состояния в открытое и наоборот определяется малой величиной барьерной емкости, которая обычно не превышает 0,01 пФ.

Основное преимущество диодов Шоттки по сравнению с диодами на р-п переходах ‒ возможность получения меньших значений прямого сопротивления контакта, так как металлический слой по этим свойствам превосходит любой, даже сильно легированный слой полупроводника.

Малое прямое сопротивление и небольшая емкость барьера Шоттки позволяет диодам работать на сверхвысоких частотах. Типичный диапазон рабочих частот составляет 5-250 ГГц, а время переключения - менее 0,1 нс. Обратные токи диодов Шоттки малы и составляют несколько микроампер. Обратные напряжения лежат в интервале 10...1000 В.

Следует отметить, что диоды Шоттки получили распространение сравнительно недавно (в начале 70-х годов), хотя их теория насчи­тывает более 50 лет. Это объясняется тем, что лишь в последние годы, благодаря совершенствованию технологии производства по­лупроводниковых приборов и интегральных микросхем, удалось получить барьеры Шоттки с характеристиками и параметрами, близкими к идеальным.

Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для работы в быстродейству­ющих импульсных схемах с временем переключения 1 мкс и менее. При столь коротких рабочих импульсах приходится учитывать инерционность процессов включения и выключения диодов и при­нимать конструктивно-технологические меры, направленные на снижение барьерной емкости и сокращение времени жизни нерав­новесных носителей заряда в области р-п перехода.

По способу изготовления р-п перехода импульсные диоды подразделя­ются на точечные, сплавные, сварные и диффузионные (меза и планарные). Устройство диодов указанных групп показана на рис. 6.10.

Конструкция точечных импульсных диодов (рис. 6.10,а ) практически не отличается от конструкции обычных высокочастотных диодов. В некоторых случаях для улучшения характеристик диода на острие контактной иглы наносят примесь (обычно индий или алюминий), образующую акцепторные центру в германии и кремнии n -типа. В процессе электроформовки приконтактная область полупроводника сильно нагревается и непосредственно под острием иглы образуется небольшая по размерам р -область.

В сплавных диодах (рис. 6.10, б) р−п переход получают вплавлением в кристалл полупроводника электронной проводимости кусочка сплава, содержащего атомы акцепторной примеси. Граница между исходным монокристаллом и сильно легированным р -слоем представляет собой р−п переход. Обычно такой метод используется при изготовлении кремниевых импульсных диодов. При создании аналогичных германиевых диодов вместо метода сплавления используют метод импульсной сварки (рис. 6.10, в ). В этом случае к кристаллу германия подводится тонкая золотая (с присадкой галлия) игла и через полученный контакт пропускается импульс тока большой амплитуды, в результате чего конец золотой иглы сваривается с германием.

Наиболее быстродействующие импульсные диоды получают методом диффузии донорных или акцепторных примесей в твердый полупроводник.

Проникая на некоторую глубину полупроводника, диффундирующие атомы меняют тип проводимости этой части кристалла, вследствие чего возникает р − п переход. После получения диффузионной структуры осуществляют химиче­ской травление поверхности полупроводника, после которого р − п переход сохраняется только внутри небольшой области, которая возвышается над остальной поверхностью в виде столика (меза). Такой вид кристалла называют мезаструктурой (рис. 6.10, г ). Емкость р − п переходов мезадиодов ниже, а напряжение пробоя выше, чем у сплавных или сварных диодов. Время переключения мезадиодов не превышает 10 пс.

Весьма перспективными являются диоды, полученные при помощи планарно-эпитаксиальной технологии (рис. 6.10, д). При их изготовлении примесь вводится в полупроводник (обычно кремний) локально − через «окна» в защитной окисной пленке SiO 2 . Получающиеся при этом р − п переходы отличаются высокой стабильностью параметров и надежностью.

Простейшая схема включения импульсного диода приведена на рис. 6.11, а. Под воздействием входного импульса положитель­ной полярности (рис. 6.11, б ) через диод протекает прямой ток, величина которого определяется амплитудой импульса, сопротив­лением нагрузки и сопротивлением открытого диода. Если на диод, через который протекает прямой ток, подать обратное на­пряжение так, чтобы его запереть, то диод запирается не мгновен­но (рис. 6.11, в ).

Рис. 6.11. Схема включения (а) и осциллограммы

входного напряжения (б) и тока (в) импульсного диода

В первый момент наблюдается резкое увеличение обратного тока I 1 через диод и лишь постепенно с течением времени он уменьшается и достигает установившегося значения I обр. Ука­занное явление связано со спецификой работы р − п перехода и пред­ставляет собой проявление так называемого эффекта накопления. Сущность этого эффекта состоит в следующем. Во время протека­ния прямого тока через р − п переход осуществляется инжекция носителей. В результате инжекции в непосредственной близости к переходу создается концентрация неосновных неравновесных но­сителей, которая во много раз превышает концентрацию равновес­ных неосновных носителей в области р − п перехода: чем больше кон­центрация неосновных носителей, тем больше обратный ток. Время жизни неравновесных носителей ограничено − постепенно их кон­центрация уменьшается как за счет рекомбинации, так и за счет ухода через р − п переход. Поэтому через некоторое время (τ в на рис. 6.11,в) неравновесные неосновные носители исчезнут; обратный ток восстановится до нормального значения I обр.

Основной характеристикой импульсных диодов является их переходная характеристика. Она отражает процесс восстановле­ния обратного тока и обратного сопротивления диода при воздей­ствии на него импульсного напряжения обратной полярности (см. рис. 6.11, в ).

Основные параметры импульсных диодов:

Время восстановления обратного сопротивления τ в − интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключе­ния диода с заданного прямого тока в состояние заданного обрат­ного напряжения до момента достижения обратным током задан­ного низкого значения.

Заряд переключения Q пк − часть накопленного заряда, выте­кающая во внешнюю цепь при изменении направления тока с пря­мого на обратное.

Общая емкость С Д − емкость, измеренная между выводами диода при заданных напряжении смещения и частоте.

Импульсное прямое напряжение U пр. и − пиковое значение пря­мого напряжения на диоде при заданном импульсе прямого тока.

Импульсный прямой ток I пр.и − пиковое значение импульса прямого тока при заданной длительности, скважности и форме.

Для импульсных диодов указывают также величину постоянного прямого напряжения U пр при протекании постоянного тока I пр и величину обратного тока I обр при заданной величине обратного напряжения U обр. Предельные режимы определяются величиной максимально допустимого постоянного обратного напряжения U обр. max , максимально допустимой величиной импульсного обрат­ного напряжения U обр.и. max , а также величинами максимально допустимого постоянного прямого тока I пр. max и максимально до­пустимого импульсного прямого тока I пр.и. max .

Импульсные диоды широко применяются в импульсных схемах самого различного назначения, например в логических схемах электронных цифровых вычислительных машин.

Варикапы

Варикапами называют полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная емкость запертого р-п перехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения. Кон­струкция варикапа показана на рис. 6.12. В кристалл кремния 5 с одной его стороны вплавлен в вакууме алюминиевый столбик 4 для получения р-п перехода, а с другой стороны − сплав золото − сурьма для получения омического контакта 6. Эта структура вплав­ляется в вакууме в коваровый золоченый кристаллодержатель 7. К алюминиевому столбику прикреплен внутренний вывод 2. Соеди­нение кристаллодержателя с баллоном 3 и выводом 1 осуществляет­ся сплавлением в водороде.

Для использования свойств варикапа к нему необходимо под­вести обратное напряжение (рис. 6.13).

Как известно, при отсутствии внешнего напряжения между p и n − областями существуют контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение U обр (рис. 6.14, а ), то высота, потенциального барьера между p и n − областями возрастет на величину приложенного напряжения (рис. 6.14, б ), возрастет и напряженность электрического поля в р-п переходе. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны глубже внутрь n - об­ласти, а дырки − внутрь р- области. В результате происходит рас­ширение области р-п перехода и тем больше, чем выше напряжение U обр (на рис. 6.14, б и в ).

Таким образом, изменение обратного напряжения, приложен­ного к р-п переходу, приводит к изменению барьерной емкости между p и n − областями. Величина барьерной емкости диода С может быть определена из формулы

где е − относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;

S − площадь р-п перехода; d − ширина р-п перехода.

Формула (6.3) аналогична формуле для емкости плоского кон­денсатора. Однако, несмотря на сходство этих формул, между барьерной емкостью и емкостью конденсатора имеется принци­пиальное различие. В обычном конденсаторе расстояние между его пластинами, а следовательно, и его емкость не зависят от на­пряжения, приложенного к конденсатору. Ширина же р-п пере­хода зависит от величины приложенного к нему напряжения, сле­довательно, барьерная емкость зависит от напряжения: при воз­растании запирающего напряжения ширина р-п перехода увеличи­вается, а его барьерная емкость уменьшается.

Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от величины обратного напряжения (вольтфарадная ха­рактеристика). Типичная характеристика С = f (U обр) пока­зана на рис. 6.15. В зависимости от назначения величина номиналь­ной емкости варикапов может быть в пределах от нескольких пикофарад до сотен пикофарад. Зависимость емкости варикапа от при­ложенного напряжения определяется технологией изготовления р-п перехода.

Параметры варикапов:

Номинальная емкость С ном − емкость между выводами вари­капа при номинальном напряжении смещения (обычно U CM = 4 В).

Максимальная емкость С max − емкость варикапа при заданном напряжении смещения.

Минимальная емкость С min − емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения.

тельных контуров

Коэффициент перекрытия К o − отношение максимальной емкости диода к минимальной.

Добротность Q − отношение реактивного сопротивления ва­рикапа к полному сопротивлению потерь, измеренное на номиналь­ной частоте при температуре 20 O С.

Максимально допустимое напряжение U max − максимальное мгновенное значение переменного напряжения, обеспечивающее заданную надежность при длительной работе.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) − отношение от­носительного изменения емкости при заданном напряжении к вы­звавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.

Максимально допустимая мощность Р max − максимальное зна­чение мощности, рассеиваемой на варикапе, при котором обеспе­чивается заданная надежность при длительной работе.

Основное применение варикапа − электронная настройка коле­бательных контуров. На рис. 6.16, а приведена схема включения варикапа в колебательный контур. Контур образован индуктив­ностью L и емкостью варикапа С B . Разделительный конденсатор С р служит для того, чтобы индуктивность L не закорачивала ва­рикап по постоянному току. Емкость конденсатора С р должна быть в несколько десятков раз больше емкости варикапа.

Управляющее постоянное напряжение U подается на варикап с потенциометра R2 через высокоомный резистор R1. Перестройка контура осуществляется перемещением движка потенциомет­ра R2.

Данная схема имеет существенный недостаток − напряжение высокой частоты влияет на варикап, изменяя его емкость. Это ве­дет к расстройке контура. Включение варикапов по схеме, показан­ной на рис. 6.16, б , позволяет значительно уменьшить расстройку контура при действии переменного напряжения. Здесь варикапы включены по высокой частоте последовательно навстречу друг другу. Поэтому при любом изменении напряжения на контуре ем­кость одного варикапа увеличивается, а другого уменьшается. По постоянному напряжению варикапы включены параллельно.

Огромное количество современных электронных устройств используют в своей работе электрические импульсы. Это могут быть слаботочные сигналы или токовые импульсы (что гораздо серьезнее в техническом отношении) в цепях блоков питания и прочих импульсных преобразователей, инверторов и т.д.

А действие импульсов в преобразователях - это всегда критичность к длительности форнтов и спадов, имеющих временные границы примерно того же порядка, что и переходные процессы в электронных компонентах, в частности - в тех же диодах. Поэтому, при использовании в импульсных схемах диодов, следует обязательно принимать во внимание переходные процессы в самих диодах - во время их включения и выключения (во время открывания и закрывания p-n-перехода).

В принципе, чтобы сократить время переключения диода из неповодящего состояния - в проводящее и обратно, в некоторых низковольтных схемах целесообразно прибегать .

Диоды данной технологии отличаются от обычных выпрямительных диодов наличием перехода металл-полупроводник, который хоть и обладает выраженным выпрямительным эффектом, но в то же самое время имеет сравнительно малую проходную емкость перехода, заряд в которой накапливается в настолько некритичных количествах и так быстро рассасывается, что схема с диодами Шоттки может работать на достаточно высокой частоте, когда время переключения имеет порядок единиц наносекунд.

Еще один плюс диодов Шоттки - падение напряженя на их переходе составляет всего около 0,3 вольт. Итак, главное достоинство диодов Шоттки - в них не затрачивается времени на накопление и рассасывание зарядов, быстродействие здесь зависит только от скорости перезаряда небольшой барьерной емкости.

Что касается , то изначальное предназначение данных компонентов вообще не предполагает работу в импульсных режимах. Импульсный режим для выпрямительного диода - это нетипичный, нештатный рижим, поэтому и особо высоких требований к быстродействию выпрямительных диодов разработчиками не предъявляется.

Выпрямительные диоды используются в основном для преобразования низкочастотного переменного тока в постоянный или пульсирующий, где вовсе не требуется малая проходная емкость p-n-перехода и быстродействие, чаще нужны просто большая проводимость и соответственно высокая стойкость к относительно длительному непрерываному току.

Выпрямительные диоды отличаюстя поэтому малым сопротивлением в открытом состоянии, большей площадью p-n-перехода, способностью пропускать большие токи. Но за счет значительной площади перехода емкость диода получаетсвя больше - порядка сотен пикофарад. Это очень много для импульного диода. Для сравнения, у диодов Шоттки проходная емкость имеет порядок десятков пикофарад.

Итак, импульсные диоды - это специально разрабатываемые диоды для работы именно в импульсных режимах в высокочастотных цепях. Их принципиальной отличительной особенностью от выпрямительных диодов является кратковременность переходных процессов в силу очень малой емкости p-n-перехода, которая может доходить до единиц пикофарад и быть еще меньше.

Уменьшение емкости p-n-перехода в импульсных диодах достигается путем уменьшения площади перехода. Как следствие, рассеиваемая на корпусе диода мощность не должна быть очень большой, средний ток через переход малой площади не должен превышать максимально допустимого значения, указываемого к документации на диод.

Часто в качестве быстродействующих диодов используют диоды Шоттки, однако они редко отличаются высоким обратным напряжением, поэтому импульсные диоды выделены как отдельный тип диодов.

Полупроводниковые материалы. Структура, связь атомов в кристаллической решеткою. Образование носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках.

Полупроводниками являются, как правило, твердые тела срегулярной кристаллической структурой (монокристаллы). Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек.

Разновидности кубической решетки:

Простая кубическая решетка

Кубическая объемо-центрированная решетка

-кубическая гранецентрированная решетка

-решетка типа алмаз

Контактные явления. Классификация. Электронно-дырочный переход. Образование, принцип работы р-п перехода в равновесном и неравновесном состояниях. Вольт-амперные характеристики. Эффект электрического поля.

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или р- n-переходами . .

Анализ равновесного р-n- перехода

Высота равновес­ного потенциального барьера определяется разностью электроста­тических потенциалов в р- и n- Dj o = j Ep – j En .

Dj o = j Т ln (n n о р р o / n i 2)

равновесная высота потенциального барьера определяется отноше­нием концентраций однотипных носителей (электронов или дырок) по обе стороны перехода, на его границах:

Dj o = j Т ln (n n о / n р o );Dj o = j Т ln (p p о / p no)ширина потенциального барьера в несимметричном переходе:

l o = Ö(2e o eDj o) / (qN ) ,

ширина равно­весного плавного перехода в следующем виде:l o = 3 Ö(9e o eDj o) / (qN"), где N" - градиент эффективной концен­трации. Поскольку градиент одинаков в обеих частях перехода, то и ширина l o делится поровну между n- и р -слоями, т. е. плавный переход симметричен.

Анализ неравновесного р-n- перехода

Если подключить источник ЭДС U между р- и n- слоями, то равновесие пе­рехода нарушится и в цепи потечет ток. Удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления ней­тральных слоев, поэтому внешнее напряжение практически полностью падает на пере­ходе, а значит, изменение высоты потенциального барь­ера равно значению при­ложенной ЭДС.

Когда ЭДС U приложена плюсом к р- слою, высота барьера уменьшается

Dj = Dj о – U .

Напряжение такой полярности является прямым. При отри­цательном потенциале на p- слое высота барьера увеличивается и знак минус следует изменить на плюс.

ширину неравновесного барьера в виде

l = Ö(2e o e(Dj o – U )) / (qN ).

Полупроводниковые диоды. Классификация. Выпрямительный полупроводниковый диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, диод Шоттки. Принципы работы, характеристики, параметры, области применения диодов.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n- переходом и двумя выводами. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода - контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом. В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды , сплавные и микросплавные , с диффузионной базой , эпитаксиальные и др. По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные , универсальные, импульсные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды, и т. д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n- переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером , а высокоомную – базой . Для создания переходов с вентильными свойствами используют р-n- , р-i , n-i- переходы, а также переходы металл – полупроводник.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода.

Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.

Светодиод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников.

Фотодиод - приёмник оптического излучения , который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей - дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

· фотогальванический - без внешнего напряжения

· фотодиодный - с внешним обратным напряжением

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Варикап – нелинейный управляемый конденсатор. В полупроводниковых диодах зависимость барьерной емкости от напряжения нелинейна, поэтому любой полупроводниковый прибор с р-n- переходом, в принципе, может быть использован как конденсатор с емкостью, управляемой напряжением.

В туннельных диодах носители заряда проходят сквозь потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.

Импульсные свойства диодов. Пояснить на характеристиках и объяснить, какими физическими явлениями эти свойства обусловлены.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n- перехода и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р-n- перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30–40 мВт).

Основные параметры импульсных диодов:

● общая емкость диода С д, (доли пФ – несколько пФ);

● максимальное импульсное прямое напряжение U пр и мах;

● максимально допустимый импульсный ток I пр и мах;

● время установки прямого напряжения диода t уст

● время восстановления обратного сопротивления диода t вос

Наличие времени восстановления обусловлено зарядом, накопленным в базе диода при инжекции. Для запирания диода этот заряд должен быть «ликвидирован». Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода не основных носителей заряда в эмиттер.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (ДШ), в которых переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. Структура ДШ показана на рис. 3.2 е . У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. В ДШ токопрохождение осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции не основных носителей с последующим рассасыванием их при переключении напряжения с прямого на обратное.

Кроме того, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольтамперная характеристика ДШ напоминает характеристику диодов на основе р-n- переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8–10 декад (декада – изменение значения в 10 раз) приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли – десятки нА).

отличительными особенностями ДШ являются: высокое быстродействие, малое падение напряжения при прямом смещении (0,3–0,4 В), высокий КПД выпрямления и широкие возможности использования в качестве дополнительных элементов в конструкциях различных транзисторов и других полупроводниковых приборов с целью расширения функциональных возможностей. Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Биполярные транзисторы. Структура, принцип действия, режимы работы транзистора, схемы включения транзистора. Интегральный многоэмиттерный биполярный транзистор. Структура, принцип действия, применение. Биполярные транзисторы в ключевых и аналоговых схемах.

БТ называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n переходами и тремя или более выводами. Их усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда: инжекция из Э в Б, экстракция из Б в К.

Рисунок стр. 133

Принцип работы биполярного транзистора основан на изменении сопротивления обратно смещенного p-n перехода за счет инжекции носителей заряда.

Режимы работы

Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:

1)Нормальный активный режим - Э-переход включен в прямом направлении, К-переход в обратном направлении

2)Режим насыщения – Э- и К-переходы включены в прямом направлении

3)Режим отсечки - Э- и К-переходы включены в обратном направлении

4)Инверсный активный режим - Э-переход включен в обратном направлении, К-переход включен в прямом направлении.

Основным параметром биполярного транзистора является коэффициент передачи эмиттерного тока:

Близок к 1. Определяется 2-мя параметрами , где коэффициент инжекции, В-коэффициент переноса.

Универсальные и импульсные диоды

Универсальные (высокочастотные ) диоды применяются для преобразования высокочастотных сигналов. Импульсные полупроводниковые диоды предназначены преимущественно для работы в и им­пульсных режимах (преобразования импульсных сигналов). Эти диоды характеризуются мини­мальными значениями реактивных параметров, что достигается благо­даря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью (см. § 3.7, 3.8). Для уменьшения времени жизни используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в за­прещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации.

Разновидностью универсальных диодов является диод с корот­кой базой . В таком диоде протяженность базы меньше диффузион­ной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носи­телей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (вре­менем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади р-n-перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площа­ди являются маломощными.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой , в которой две сильнолегированные области р- и n-типа разде­лены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i -области. Распределение электричес­кого поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n-перехода). Таким образом, i -область с низ­кой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектриче­ской проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в р - и n -областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная ем­кость p-i-n -диода определяется размерами i -слоя и при достаточно широкой i-области от приложенного постоянного напряжения прак­тически не зависит.

Особенность работы р-i-n -диода состоит в том, что при прямом напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое со­противление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i -области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротив­ления i-области по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для p-i-n -диода характерно очень большое отношение прямого и об­ратного сопротивлений, что важно при использовании их в переклю­чательных режимах.

В качестве высокочастотных универсальных диодов использу­ются структуры с барьерами Шотки и Мотта. В этих приборах про­цессы прямой проводимости определяются только основными носи­телями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутст­вует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие вы­сокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шотки состоит в том, что тон­кий i-слой создан между металлом М и сильно легированным полу­проводником , так что получается структура M-i-n. В высокоомном i -слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщи­на обедненного слоя в -области очень мала и не зависит от напря­жения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от на­пряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шотки, которые в отличие от р-n-перехода почти не накаплива­ют неосновных носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоп­лением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обрат­ного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму (рис. 4.2). При этом значение может быть значительным, но должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Получение малой длительности связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя р-n-перехода путем неравномерного распре­деления примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришед­ших через обедненный слой при пря­мом напряжении, и поэтому препятст­вует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их компактнее концентрироваться вблизи грани­цы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способство­вать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехо­да. В момент , когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный за­ряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время спадания обратно­го тока до значения .

Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, используе­мый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем исполь­зуется свойство р-n- перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения.

Значение добротности варикапа на низких частотах ;

на высоких частотах –

Температурный коэффициент емкости , где DТ и D – изменения температуры и емкости варикапа.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шотки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Добротность колебательной системы характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду при его отсутствии. Чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии в ней за период.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка частоты колебательных контуров. Зависимость его емкости от напряжения отражает вольт-фарадная характеристика, подобная зависимости барьерной емкости p-n -перехода от приложенного к нему обратного напряжения. В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и ум-ножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах ис­пользуется и диффузионная емкость.