Напівпровідникові діоди

Визначення та класифікація

Напівпровідниковий діод - це електроперетворювальний напівпровід-никовий прилад, побудований на одному випрямному та двох невипрямних (омічних) контактах. Властивості, технічні характеристики і парамет-ри НД визначає випрямний електричний перехід. Для формування таких переходів, створюючи діоди, використовують p-n-переходи, гетеропереходи та контакти метал - напівпровідник. Таким чином, НД є двопорожнин-ним напівпровідниковим приладом з несиметричною ВАХ. Кристал напів-провідника з випрямним переходом монтується в металевому або коваро-вому корпусі НД, що забезпечує стабільні експлуатаційні характеристики і параметри діода під час дії зовнішніх дестабілізувальних факторів (нагрі-ванні, дії вологи, механічних навантаженнях тощо). Для з'єднання діодів та інших напівпровідникових приладів із зовнішніми електричними кола-ми їхні корпуси мають відповідну кількість виводів.

Найпоширенішими є НД з р-п-переходом. Ділянці з низькою концентра-цією домішкових атомів властива зазвичай електронна провідність (провід-ність n-типу); її називають базою або катодом. Це - вивід діода, від якого струм тече в зовнішнє електричне коло. Товщина бази значно більша від товщини високолегованої ділянки з дірковою провідністю (провідністю p-типу), яка межує з базою; її називають емітером або анодом. Це - вивід діода, до якого струм тече із зовнішнього електричного кола. Для вмикання НД у пропускному напрямі на анод, так само як і у високовакуумних діодах, подається позитивна напруга. Електрод анода позначають на корпусі НД. Для створення якісного омічного контакту із слаболегованою n-базою її в місці контакту додатково легують донорами з концентрацією ~ 1019 см-3. Отже, реальні діоди мають структур p+ -п-n+. Такий технологічний при-йом широко використовують для підключення зовнішніх виводів в інших напівпровідникових приладах та інтегральних схемах.

У випрямному електричному переході та прилеглих до нього ділянках відбуваються різні фізичні процеси, які можуть забезпечити: випрямлення за рахунок асиметрії ВАХ; нелінійне зростання струму зі збільшенням на-пруги; лавинне розмноження носіїв заряду крізь потенціальний бар'єр прямого електричного переходу як у разі запірного, так і (у відповідних умовах) пропускного напряму вмикання напруги; зміну бар'єрної ємності зі зміною напруги; накопичення і розосередження неосновних носіїв заря-ду в прилеглих до випрямного переходу зонах; зміну електропровідності під дією опромінювання; некогерентне оптичне випромінювання.

Усі ці фізичні ефекти та явища, що визначають механізм роботи при-ладу, використовують для створення широкої номенклатури НД: випрям-них, змішувальних, детекторних, перемикальних, обернених, з різким відновленням зворотного опору, стабілітронів, стабісторів, шумових і тунельних, варикапів, діодів Шотткі. Деякі із цих ефектів є небажаними і навіть шкідливими в одних діодах, але в інших діодах ці самі ефекти служать основою принципу дії.

Наведені функціональні групи є основним критерієм класифікації НД. Крім того, їх класифікують за матеріалами, використовуваними для виго-товлення електричних переходів, за конструктивно-технологічними осо-бливостями, за параметрами (струмом, напругою, потужністю, швидкоді-єю), за типом корпусу.

За типом матеріалу НД поділяють на германієві, кремнієві та діоди з арсеніду галію (це не стосується фото- і світлодіодів).

За конструктивно-технологічними особливостями НД класифікують за структурою і технологією формування електричних переходів (площинні, точкові, мікросплавні).

Точкові та мікросплавні діоди використовують у пристроях, які пра-цюють у діапазоні надвисоких частот. їх виготовлення ґрунтується на операції епітаксії та імплантації домішок. Сплавну технологію викорис-товують обмежено.

Особливості різних типів НД фіксують в умовних позначеннях та мар-куванні, в основу яких покладено літерно-цифровий код, що відображає інформацію про напівпровідниковий матеріал, підклас (або групу) прила-дів, призначення (параметр або принцип дії), порядковий номер розроб-ки, класифікацію за параметрами та додаткову інформацію.

Вольт-амперна характеристика

Для будь-якого електричного приладу важливою є залежність між струмом, що проходить через прилад, та прикладеною напругою. Знаючи цю залежність, можна визначити струм при заданій напрузі або, навпаки, напругу при заданому струму.

Якщо опір приладу не залежить від струму чи напруги, то зв'язок між ними визначається законом Ома: І - U / R або / = G U. У цьому разі струм прямо пропорційний напрузі. Коефіцієнтом пропорційності є про-відність G = 1/R.

Графічне зображення залежності між струмом і напругою I=f(U) -ВАХ.

Прилади, принцип дії яких підкоряється закону Ома, а ВАХ є прямою лінією, що проходить через початок координат, називають лінійними.

Напівпровідникові діоди є нелінійними приладами; в них опір зале-жить від напруги або струму, внаслідок чого їх ВАХ не є прямою лінією (рис. 2.2.1).

Рис. 2.2.1. Вольт-амперна характеристика НД

З теоретичного аналізу p-n-переходу випливає просте рівняння, яке точ-но описує ВАХ ідеалізованого НД як у разі прямого, так і зворотного зміщення.

Якщо задати постійну пряму напругу UF, то у діоді проходитиме по-стійний прямий струм IF, а якщо задати постійну зворотну напругу UR - то зворотний струм IR.

У виведенні експоненціальної залежності допущено деякі фізичні іде-алізації. Для реальних НД необхідно враховувати вплив опору базової зони rб. Відомо, що несиметричний перехід зосереджується у високоомному шарі, тобто в базі діода. З урахуванням rб точний вираз, що описує пряму гілку ВАХ діода, набирає вигляду

I = I0{ ехр [(U-Irб)цт-1]}.

Отже, ВАХ реального НД зміщується вправо відносно координатної сітки.

Диференціальний опір у будь-якій точці прямої гілки ВАХ

rд = dU/dI = цт /(I+ I0)+ rб.

Оскільки тепловий потенціал цт малий, то вже за невеликого прямого

струму виконується нерівність цт/(I + I0) « rб, і опір діода визначається

лінійним опором бази rб. За цих умов експоненціальна залежність прямо-го струму переходить у лінійну. Такою є основна робоча ділянка характе-ристики.

Прямий струм дорівнюватиме нулю доти, доки напруга не досягне відповідного значення, за якого струм почне швидко збільшуватися зі збільшенням Up- Напругу, при якій з'являється помітний струм, часто називають троговою напругою діода. Типові значення цієї напруги