P-N-перехід та діод. Дифузійні діоди отримують за рахунок дифузії в напівпровідникову пластину домішки, що знаходиться в газоподібній, рідкій або твердій фазах.
Якщо на поверхню напівпровідника нанести захисний шар з отворами та через ці отвори проводити дифузію домішки, то отримують планарнийр-n-перехід.
Власна ємність дифузійних діодів менше, ніж сплавлених, і становить д 1 ... 2 пф.
Маркування ППДпередбачає шість символів. Перший символ – літера (для діодів загального призначення) або цифра (для спеціальних діодів – працюючих за підвищених температур) – вказує матеріал напівпровідника: Г (1) – германій, К (2) – кремній, А (3) – GaAs. Другий символ – буква, що означає підклас діода: Д – випрямляючі, високочастотні (універсальні) та імпульсивні діоди; В – варикапи; С – стабілітрони та стабистори; Л – світлодіоди. Третій символ – цифра, що вказує на призначення діода (у стабілітронів – потужність розсіювання): три – перемикач, чотири – універсальний. Четвертий і п'ятий символи – двозначне число, що вказує на порядковий номер розробки (у стабілітронів – номінальна напруга стабілізації). Шостий символ – літера, що означає параметричну групу приладу (у стабілітронів – послідовність розробки).
Приклади маркування діодів:
ГД 412А - (Г) - германієвий, (Д) - діод, (4) - універсальний, (12) - номер розробки, (А) - група;
КС 196 В - (К) – кремнієвий, (С) – стабілітрон, (1) – потужність відстані не більше 0,3 Вт, (96) – номінальна напруга стабілізації 9,6 В, (В) – третя технологія. Позначення діодів на електричних схемах показано на рис. 1.6
.
1. 6. Випрямляючі діоди
Робота випрямного діода заснована на властивості p-n-переходу пропускати струм в одному напрямку - прямому.
Пряма гілка вольт-амперної характеристики випрямного діода, зображеної на рис.1.7, вже при невеликому прямому струмі є лінійною. Це основна робоча область характеристики діода.
До основних параметрів випрямних діодів, що характеризують їх роботу у випрямлювальних схемах, відносяться:
U пр.ср - середнє значення прямого падіння напруги, що визначається за вольт-амперною характеристикою при заданому значенні I пр.ср;
I обр - середнє значення зворотного струму при заданому значенні зворотної напруги U обр;
ƒ – діапазон робочих частот, у межах якого струм діода не зменшується нижче заданої величини. У довідниках часто наводять граничну частоту діапазону max.
Крім того, параметрами граничного електричного режиму діода є:
U обр.max - гранично допустима амплітуда зворотної напруги;
I пр.max - максимальне значення прямого струму.
Випрямні діоди поділяються на діоди малої (I пр.< 0,3 А), средней (0,3 < I пр.ср < 10 А) и большой (I пр.ср >10 А) потужності.
Для підвищення допустимої зворотної напруги виготовляються високовольтні стовпи, в яких кілька діодів включені послідовно, а також випрямні блоки, які містять послідовно, так і паралельно (для підвищення прямого струму) з'єднані діоди.
Область застосування випрямлювальних діодів – перетворювачі напруги змінного струму на напругу постійного струму (випрямлячі – АС-DC перетворювачі).
1.7. Діоди Шоттки
У 1939 німецьким фізиком Вольтером Шоттком було експериментально виявлено явище випрямлення слабких сигналів в області зіткнення металевої голки з напівпровідниковим кристалом. На ім'я вченого діоди на основі контакту «метал-напівпровідник» назвали діодами Шоттки.
Для виникнення потенційного бар'єра необхідно, щоб роботи виходу металу та напівпровідника були різними. У напівпровіднику n-типу робота виходу з нього в метал повинна бути меншою, ніж з металу в напівпровідник (Ф ВИХ n< Ф ВЫХ м) . В этом случае, при сближении полупроводника n-типа с металлом, поток электронов из полупроводника n-типа в металл будет больше, чем в обратном направлении и металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. При сближении полупроводника р-типа с металлом, обладающим меньшей Ф ВЫХ. М, металл заряжается положительно, а полупроводник - отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов: U k = (Ф ВЫХ м – Ф ВЫХ n) /е, где е - заряд электрона. Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов Uk создаётся в приповерхностном слое полупроводника. При изготовлении диода Шоттки (рис. 1.8) на очищенную поверхность слаболегированного полупроводникового кристалла (Si, GaAs) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения. При этом в приконтактной области полупроводника как и в диодах с электронно-дырочным переходом возникает потенциальный барьер, изменение высоты которого под действием внешнего напряжения приводит к изменению тока через прибор.
Вольт-амперна характеристика бар'єру Шоттки (рис.1.9) має яскраво виражений несиметричний вигляд. У сфері прямих зміщень струм експоненційно зростає зі збільшенням прикладеної напруги. В області зворотних зсувів струм від напруги не залежить. В обох випадках, при прямому та зворотному зміщенні, струм у бар'єрі Шоттки обумовлений основними носіями заряду – електронами. З цієї причини діоди на основі бар'єру Шоттки є швидкодіючими приладами, оскільки в них відсутні рекомбінаційні та дифузійні процеси. Пряме падіння напруги у кремнієвого діода Шотки дуже мало, зазвичай близько 0.2...0.45 В. Падіння напруги пропорційно максимальному зворотному напрузі. Наприклад, падіння напруги на діоді зі зворотною напругою 10 В може становити лише 0.3 В. Чим вище максимальна зворотна напруга і номінальний струм, тим більше пряме падіння напруги внаслідок збільшення товщини n-шару.
Недоліки діодів Шоттки:
по-перше, при короткочасному перевищенні максимальної зворотної напруги, діод Шоттки незворотно виходить з ладу, на відміну від кремнієвих діодів, які переходять в режим зворотного пробою, і за умови не перевищення максимальної потужності, що розсіюється на діоді, після зняття напруги діод повністю відновлює свої властивості ;
по-друге, діоди Шоттки характеризуються підвищеними (щодо звичайних кремнієвих діодів) зворотними струмами, що зростають із зростанням температури кристала.
В даний час для потреб перетворювальної та силової електроніки освоєно випуск діодів Шоттки на основі карбіду кремнію. Зокрема, компанією CREE випускаються діоди Шоттки на основі карбіду кремнію з напругою до 1200В та струмом до 20А.
Головна перевага високовольтних SiC-діодів Шоттки (ДШ) полягає у їх виняткових динамічних характеристиках. Заряд зворотного відновлення (Qrr) цих діодів надзвичайно низький (менше 20 нКл) і, як наслідок, - мінімальні втрати на перемикання в типових застосуваннях імпульсної силової електроніки. Крім того, на відміну від кремнієвих PiN діодів, швидкість наростання струму (di/dt) не залежить від величини прямого струму та температури. Діоди нормально працюють за максимальної температури переходу 175°С.
Компанією CREE випускається невеликий спектр SiC-діодів Шоттки, який складається з трьох груп: ДШ на напругу 300, 600 і 1200В.
Діоди Шоттки випускаються компанією CREE у стандартних пластмасових корпусах TO-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3, TO-263.
Переваги застосування SiC-діодів
Діоди Шоттки компанії CREE знаходять застосування в імпульсній силовій електроніці: у схемах коректорів коефіцієнта потужності, у приводах електродвигунів та ін.
Завдяки унікальним властивостям SiC-діодів, вони можуть працювати на частотах до 500 кГц, забезпечуючи високу ефективність пристроїв близько 92%.
Працюючи на високих частотах зменшуються габарити індуктивностей приблизно 30%. Завдяки відсутності струму зворотного відновлення знижуються електромагнітні перешкоди, що може дозволити заощадити на фільтрі.
Зменшення розміру та ваги електронних систем спочатку обумовлено вимогою ринку на зростаючу щільність потужності. Для того, щоб досягти цієї мети без шкоди для функціональності системи, необхідно зменшити розмір та вагу імпульсного джерела живлення цієї системи. У цьому сенсі SiC-діоди мають ряд чудових властивостей:
Дуже малим (практично нульовим) часом відновлення основних носіїв заряду при перемиканнях;
Вища напруга пробою, ніж у кремнієвих приладів;
Висока температура функціонування до +175 ° С;
Висока частота перемикання, до 500кГц, що зменшує розмір фільтра електромагнітних перешкод та інших пасивних компонентів.
Зменшення або виключення активних або пасивних демпферних ланцюгів.
Позитивний температурний коефіцієнт прямого падіння напруги дозволяє здійснювати паралельне включення діодів без додаткових компенсуючих ланцюгів.
Лекція 2. Напівпровідникові діоди
Електронно-дірковий перехід та його властивості. Електронно-дірковим переходом називають тонкий шар між двома частинами напівпровідникового кристала, в якому одна частина має електронну, а інша - діркову електропровідність. Технологічний процес ззаду електронно-діркового переходу може бути різним: сплавлення (сплавні діоди), дифузія однієї речовини в іншу (дифузійні діоди), епітаксія - орієнтований ріст одного кристала на поверхні іншого (епітаксіальні діоди) та ін. За конструкцією електронно-діркові переходи можуть бути симетричними та несиметричними, різкими та плавними, площинними та точковими та ін. Проте для всіх типів переходів основною властивістю є несиметрична електропровідність, при якій в одному напрямку кристал пропускає струм, а в іншому – не пропускає.
Пристрій електронно-діркового переходу показано на рис. 2.1 а. Одна частина цього переходу легована донорною домішкою та має електронну провідність (N – область). Інша частина, легована акцепторною домішкою, має дірочну провідність (P – область). Концентрація електронів в одній частині та концентрація дірок в іншій суттєво різняться. З іншого боку, обох частинах є невелика концентрація неосновних носіїв.
Електрони в N-області прагнуть проникнути в Р-область, де концентрація електронів значно нижча. Аналогічно, дірки з Р-області переміщуються N-область. Внаслідок зустрічного руху протилежних зарядів виникає так званий дифузійний струм. Електрони та дірки, перейшовши через межу розділу, залишають після себе протилежні заряди, які перешкоджають подальшому проходженню дифузійного струму. В результаті на межі встановлюється динамічна рівновага і при замиканні N- та Р-областей струм у ланцюзі не протікає. Розподіл густини об'ємного заряду в переході наведено на рис. 2.1 б.
При цьому всередині кристала на межі розділу виникає власне електричне поле Е властивостей, напрямок якого показано на рис. 2.1. Напруженість цього поля максимальна на межі розділу, де відбувається стрибкоподібна зміна знака об'ємного заряду. На деякій відстані від межі розділу об'ємний заряд відсутній і напівпровідник є нейтральним.
Висота потенційного бар'єру на p-n-переході визначається контактною різницею потенціалів N- та Р-областей. Контактна різниця потенціалів, своєю чергою, залежить від концентрації домішок у цих областях:
де T =kT/q - тепловий потенціал, N n і Р р - концентрації електронів та дірок у N- та Р-областях, n i - концентрація носіїв у нелегованому напівпровіднику.
Контактна різниця потенціалів для германію має значення 0,6...0,7В, а кремнію - 0,9...1,2В. Висоту потенційного бар'єру можна змінювати додатком зовнішньої напруги до р-переходу. Якщо зовнішнє напруга створює в p-n-переході поле, яке збігається з внутрішнім, то висота потенційного бар'єру збільшується, при зворотній полярності напруги прикладеної напруги висота потенційного бар'єру зменшується. Якщо прикладена напруга
Крім дифузійного струму прямий струм містить струм провідності, що протікає в протилежному напрямку, тому повний струм при прямому зміщенні p-n-переходу дорівнюватиме різниці дифузійного струму (2.2) і струму провідності:
Рівняння (2.3) називається рівнянням Еберса – Молла, а відповідна йому вольт-амперна характеристика p-n-переходу наведена на рис. 2.3. Оскільки при т =ЗООК тепловий потенціал T=25мВ, то вже за U = 0,1 можна вважати, що
Диференціальний опір p-n-переходу можна визначити, скориставшись формулою (2.3):
звідки отримуємо
Так, наприклад, при струмі I = 1А і т = 25 мВ диференціальний опір переходу дорівнює 25м0м.
Граничне значення напруги на p-n-переході при прямому зміщенні не перевищує контактної різниці потенціалів до. Зворотна напруга обмежується пробоєм p-n-переходу. Пробою p-n-переходу виникає за рахунок лавинного розмноження неосновних носіїв і називається лавинним пробоєм. При лавинному пробої p-n-переходу струм через перехід необмежено збільшується при постійному напрузі на ньому, як показано на рис. 2.3.
Напівпровідниковий p-n-перехід має ємність, яка в загальному випадку визначається як відношення збільшення заряду на переході до збільшення падіння напруги на ньому, тобто. C=dq/du. Місткість переходу залежить від значення та полярності зовнішньої прикладеної напруги. При зворотному напрузі на переході ця ємність називається бар'єром і визначається за формулою
де до - контактна різниця потенціалів, U - зворотна напруга на переході, C бар (0) - значення бар'єрної ємності при U=0, яке залежить від площі p-n-переходу та властивостей напівпровідникового кристала. Залежність бар'єрної ємності від прикладеної напруги наведено на рис. 2.4.
Теоретично бар'єрна ємність існує при прямій напрузі на p-n-переході, проте вона шунтується низьким диференціальним опором r диф.
При прямому зміщенні p-n-переходу значно більший вплив має дифузійна ємність, яка залежить від значення прямого струму I та часу життя неосновних носіїв р. Ця ємність не пов'язана зі струмом зміщення, але дає такий самий зсув фази між напругою і струмом, що і звичайна ємність. Значення дифузійної ємності можна отримати за формулою
Повна ємність переходу при прямому зміщенні визначається сумою бар'єрної та дифузійної ємностей
При зворотному зміщенні переходу дифузійна ємність відсутня, і повна ємність складається лише з бар'єрної ємності.
Напівпровідниковий діодназивають прилад, який має два висновки та один (або декілька) p-n-переходів. Усі напівпровідникові діоди можна поділити на дві групи: випрямлячі та спеціальні. Випрямні діоди, як випливає із самої назви, призначені для випрямлення змінного струму. Залежно від частоти та форми змінної напруги вони діляться на високочастотні, низькочастотні та імпульсні. Спеціальні типи напівпровідникових діодів використовують різні властивості p-n-переходів; явище пробою, бар'єрну ємність, наявність ділянок з негативним опором та ін.
Конструктивно випрямні діоди поділяються на площинні та точкові, а за технологією виготовлення на сплавні, дифузійні та епітаксійні. Плоскісні діоди завдяки великій площі p-n-переходу використовуються для випрямлення великих струмів. Точкові діоди мають малу площу переходу і, відповідно, призначені для випрямлення малих струмів. Для збільшення напруги лавинного пробою використовуються стовпи випрямляння, що складаються з ряду послідовно включених діодів.
Випрямлювальні діоди великої потужності називають силовими. Матеріалом для таких діодів зазвичай є кремній або арсенід галію. Німеччина практично не застосовується через сильну температурну залежність зворотного струму. Кремнієві сплавні діоди використовуються для випрямлення змінного струму із частотою до 5кГц. Кремнієві дифузійні діоди можуть працювати на підвищеній частоті до 100кГц. Кремнієві епітаксії діоди з металевою підкладкою (з бар'єром Шотки) можуть використовуватися на частотах до 500 кГц. Арсенідгалієві діоди здатні працювати в діапазоні частот до декількох МГц.
При великому струмі через p-n-перехід значна напруга падає в об'ємі напівпровідника, і нехтувати ним не можна. З урахуванням виразу (2.4) вольтамперна характеристика випрямного діода набуває вигляду
де R - опір обсягу напівпровідникового кристала, який називають послідовним опором.
Умовне графічне позначення напівпровідникового діода наведено на рис. 2.5 а, яке структура на рис. 2.5 б. Електрод діода, підключений до області Р, називають анодом (за анологією з електровакуумним діодом), а електрод, підключений до області N - катодом. Статична вольт-амперна характеристика діода показано на рис. 2.5 ст.
Силові діоди зазвичай характеризують набором статичних та динамічних параметрів. До статичних параметрів діода належать:
Падіння напруги U np на діоді при деякому значенні прямого струму;
Зворотний струм I обр при деякому значенні зворотної напруги;
Середнє значення прямого струму I np.cp;
Імпульсна зворотна напруга U обр.
До динамічних параметрів діода відносяться його часові чи частотні характеристики. До таких параметрів належать:
Час відновлення t зворотної напруги;
Час наростання прямого струму I вар;
Гранична частота без зниження режимів діода f m ax.
Статичні параметри можна встановити за вольт-амперною характеристикою діода, яка наведена на рис. 2.5 ст. Типові значення статичних параметрів силових діодів наведено у табл. 2.1.
Т 
абліця 2.1
Час зворотного відновлення діода t вoc є основним параметром випрямляючих діодів, що характеризує їх інерційні властивості. Воно визначається при перемиканні діода із заданого прямого струму I пр на задану зворотну напругу U обр. Графіки такого перемикання наведено на рис. 2.6 а. Схема випробування наведена на рис. 2.6 б являє собою однополуперіодний випрямляч, що працює на резистивне навантаження R н і живиться від джерела напруги прямокутної форми.
Напруга на вході схеми в момент часу t=0 стрибком набуває позитивного значення U m . Через інерційність дифузійного процесу струм у діоді з'являється не миттєво, а наростає протягом часу t нар. Спільно з наростанням струму в діоді знижується напруга на діоді, яке після t нар стає рівним U пр. У момент часу t 1 в ланцюзі встановлюється стаціонарний режим, при якому струм діода i = I н U m / R н.
Таке положення зберігається аж до моменту часу t 2 коли полярність напруги живлення змінюється на протилежну. Однак заряди, накопичені на межі p-n-переходу, деякий час підтримують діод у відкритому стані, але напрямок струму в діоді змінюється протилежним. По суті відбувається розсмоктування зарядів на межі p-n-переходу (тобто розряд еквівалентної ємності). Після інтервалу часу розсмоктування t рас починається вимкнення діода, тобто. процес відновлення його замикаючих властивостей.
На момент часу t 3 напруга на діоді стає рівним нулю і надалі набуває зворотного значення. Процес відновлення замикаючих властивостей діода триває до часу t 4 , після чого діод виявляється замкненим. До цього часу струм у діоді стає рівним нулю, а напруга досягає значення -U m - Таким чином, час t ві можна відраховувати від переходу Uд через нуль до досягнення струмом діода нульового значення I д =0.
Розгляд процесів включення і вимкнення випрямного діода показує, що він не є ідеальним вентилем і в певних умовах має провідність у зворотному напрямку. Час розсмоктування неосновних носіїв у p-n-переході можна визначити за формулою
де p – час життя неосновних носіїв.
Час відновлення зворотної напруги на діоді можна оцінити за наближеним виразом
Слід зазначити, що при R н =0 (що відповідає роботі діода на ємнісне навантаження) зворотний струм через діод в момент його замикання може багато разів перевищувати струм навантаження в стаціонарному режимі.
З розгляду графіків рис. 2.6 а слід, що потужність втрат у діоді різко підвищується при його включенні і, особливо, при вимиканні. Отже, втрати у діоді зростають із підвищенням частоти випрямленої напруги. При роботі діода на низькій частоті та гармонійній формі напруги живлення імпульси струму великої амплітуди відсутні і втрати у діоді різко знижуються.
У разі зміни температури корпусу діода змінюються його параметри. Ця залежність має враховуватися під час розробки апаратури. Найбільш сильно залежать від температури пряма напруга на діоді та його зворотний струм. Температурний коефіцієнт напруги (ТКН) на діоді має негативне значення, оскільки зі збільшенням температури напруга на діоді зменшується. Приблизно вважатимуться, що ТКН U пр =-2мВ/К.
Зворотний струм діода залежить від температури корпусу ще сильніший і має позитивний коефіцієнт. Так, зі збільшенням температури кожні 10°З зворотний струм германієвих діодів збільшується вдвічі, а кремнієвих - 2,5 разу.
Втрати у випрямлювальних діодах можна розраховувати за формулою
де Р пр - втрати в діоді при прямому напрямку струму, Р обр - втрати в діоді при зворотному струмі, Р - втрати в діоді на етапі зворотного відновлення.
Наближене значення втрат у прямому напрямку можна розрахувати за формулою
де I пр.ср та U пр.ср - середні значення прямого струму та прямої напруги на діоді. Аналогічно можна розрахувати втрати потужності при зворотному струмі:
І, нарешті, втрати на етапі зворотного відновлення визначаються за формулою
де f – частота змінної напруги.
Після розрахунку потужності втрат у діоді слід визначити температуру корпусу діода за формулою
де Т п.макс = 150 0 З - максимально допустима температура кристала діода, R п.к. - тепловий опір перехід-корпус діода (наводиться в довідкових даних на діод), Т к.макс - максимально допустима температура корпусу діода.
Діоди з бар'єром Шотки. Для випрямлення малої напруги високої частоти широко використовуються діоди з бар'єром Шотки (ДШ). У цих діодах замість p-n-переходу використовується контакт металевої поверхні із напівпровідником. У місці контакту виникають збіднені носіями заряду шари напівпровідника, які називаються запірними. Діоди з бар'єром Шотки відрізняються від діодів з p-n-переходом за такими параметрами:
Нижче пряме падіння напруги;
Мають нижчу зворотну напругу;
Вищий струм витоку;
Майже повністю відсутня заряд зворотного відновлення.
Дві основні характеристики роблять ці діоди незамінними при проектуванні високовольтних високочастотних випрямлячів: мале пряме падіння напруги і малий час відновлення зворотної напруги. Крім того, відсутність неосновних носіїв, що вимагають час на зворотне відновлення, означає фізичну відсутність втрат перемикання самого діода.
У діодах із бар'єром Шотки пряме падіння напруги є функцією зворотної напруги. Максимальна напруга сучасних діодів Шотка становить близько 150В. У цьому напрузі пряме напруга ДШ менше прямої напруги діодів з p-n-переходом на 0,2...0,3В.
Переваги діода Шотки стають особливо помітними при випрямленні малої напруги. Наприклад, 45-вольтний діод Шотки має пряму напругу 0,4...0,6В, а при тому струмі діод з p-n-переходом має падіння напруги 0,5... 1,0 В. При зниженні зворотної напруги до 15В пряма напруга зменшується до 0,3...0,4В. У середньому застосування діодів Шотки у випрямлячі дозволяє зменшити втрати приблизно на 10...15%. Максимальна робоча частота ДШ перевищує 200кГц за струму до 30А.
Лекція 3. Спеціальні типи напівпровідникових діодів
Різновиди напівпровідникових діодів. До спеціальних напівпровідникових діодів відносяться прилади, в яких використовуються особливі властивості р-n-переходів: керована напівпровідникова ємність - варикапи та варактори; зенерівський та лавинний прибій - стабілітрони; тунельний ефект - тунельні та звернені діоди; фотоефект – фотодіоди; фотонна рекомбінація носіїв зарядів – світлодіоди; багатошарові діоди – диністори. Крім того, до діодів відносять деякі типи приладів з трьома висновками, такі як тиристори і двобазові діоди.
Варикапи – це напівпровідникові діоди, у яких використовується бар'єрна ємність p-n-переходу. Ця ємність залежить від прикладеного до діода зворотної напруги та зі збільшенням його зменшується. Добротність бар'єрної ємності варикапа може бути досить високою, оскільки вона шунтується досить високим опором діода при зворотному зміщенні.
Схематичне зображення варикапа наведено на рис. 3.1 а, яке вольтфарадна характеристика - на рис. 3.1 б. Умовне позначення варикапа містить п'ять елементів. Перший елемент означає матеріал, з якого виготовлений варикап (К - кремній). Другий елемент означає приналежність діода до підкласу варикапів (В – варикап). Третій елемент - цифра, що визначає призначення варикапу (1 - для підстроювальних варикапів, 2 - для помножувальних варикапів). Четвертий елемент – це порядковий номер розробки. І нарешті, п'ятий елемент - відповідає розбракування за параметрами. Приміром, на рис. 3.1 б наведено характеристику варикапу КВ117А.
Теоретичне значення ємності варикапу можна визначити за формулою
де З 0 - початкова ємність варикапа при U =0, U в - напруга на варикапі, до - контакна різниця потенціалів.
Основними параметрами варикапа є: його початкова ємність, добротність Q c , коефіцієнт перекриття по ємності До с. Добротність варикапа визначається ставленням реактивної потужності варикапа Q до потужності Р:
*Надалі всі діоди (тобто двоелектродні прилади з п-р-переходом) позначаються VD або D, як на рис. 3.1.
Коефіцієнт перекриття по ємності визначається як відношення максимальної ємності max варикапа до його мінімальної ємності C min
Крім цього, часто вказують температурний коефіцієнт ємності варикапу з =С/Tі граничну частоту f до, при якій добротність варикапу знижується до Q=1.
Добротність варикапа збільшується зі збільшенням зворотної напруги та зі зменшенням робочої частоти. Графіки залежності добротності варикапа КВ117А від частоти та зворотної напруги наведено на рис. 3.2.
Еквівалентна схема варикапу наведена на рис. 3.3, де C б - бар'єрна ємність, R ш - опір переходу і шунтуючих його витоків, обумовлених конструкцією варикапа, R п - опір матеріалу напівпровідника, p-n-області та контакту. Повний опір варикапа визначається виразом
Добротність варикапу в області низьких частот відповідно до (3.4) можна визначити за формулою
з якої випливає, що вона росте із зростанням частоти.
На високих частотах при виконанні умови C б R ш >>1 опором R н можна знехтувати, і тоді добротність варикапа залежить від частоти за формулою
тобто вона зменшується із зростанням частоти.
Звідси випливає, що добротність варикапу має максимум, що відповідає частоті
при цьому максимальну добротність можна знайти за формулою
На рис. 3.3 б наведено залежність добротності Q від частоти для варикапів, виготовлених з кремнію та арсеніду галію. З графіків видно, що для варикапів з арсеніду галію оптимальна частота становить ~ 1 кГц, тоді як кремнієвих варикапів вона майже досягає 1 МГц.
Варикапи знаходять застосування в різних електронних схемах: модуляторах, резонансних контурах, що перебудовуються, генераторах з електронним налаштуванням, параметричних підсилювачах і генераторах та ін. На рис. 3.4 показана схема резонансного контуру з електронною перебудовою за допомогою постійної напруги U п. Напруга перебудови подається в середню точку двох зустрічно послідовно включених варикапів VD1 і VD2 через додатковий резистор R д. Таке включення варикапів дозволяє збільшити крутизну перебудови і усуває необхідність застосування. Спеціально для таких схем промисловістю випускаються здвоєні варикапи типів КВС111 чи КВС120.
Стабілітрони- Це напівпровідникові діоди, що працюють у режимі лавинного пробою. При зворотному зміщенні напівпровідникового діода виникає електричний лавинний пробій pn-переходу. При цьому в широкому діапазоні зміни струму через діод напруга на ньому дуже незначно змінюється. Для обмеження струму через стабілітрон послідовно з ним включають опір. Якщо в режимі пробою потужність, що витрачається в ньому, не перевищує гранично допустиму, то в такому режимі стабілітрон може працювати необмежено довго. На рис. 3.5 показано схематичне зображення стабілітронів, а на рис. 3.5 б наведено їх вольт-амперні характеристики.
Напруга стабілізації стабілітронів залежить від температури. На рис. 3.56 штриховою лінією показано переміщення вольт-амперних характеристик зі збільшенням температури. Очевидно, що підвищення температури збільшує напругу лавинного пробою при U cт > 5B і зменшує його при U cт< 5 В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5 В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U cт < 5В - отрицательный. При U cт =6...5B ТКН близок к нулю.
Іноді для стабілізації напруги використовують пряму напругу падіння на діоді. Такі прилади, на відміну від стабілітронів, називають стабісторами. У сфері прямого зміщення p-n-переходу напруга у ньому має значення 0,7...2В мало залежить від струму. У зв'язку з цим стабістори дозволяють стабілізувати лише малі напруження (не більше 2В). Для обмеження струму через стабістор послідовно з ним включають опір. На відміну від стабілітронів зі збільшенням температури напруга на стабісторі зменшується, тому що пряма напруга на діоді має негативний ТКН. Схема включення стабілітрону наведена на рис. 3.6 а, а стабістора - на рис. 3.6 б.
Наведений вище характер температурної залежності напруги стабілітронів обумовлений різним видом пробою в них. У широких переходах при напруженості поля до 5*10 4 B/см має місце лавинний пробій. Такий пробій при напрузі на переході > 6В має позитивний температурний коефіцієнт.
У вузьких переходах при великій напруженості електричного поля (більше 1,4*10 6 В) спостерігається пробою, що називається зенерівським. Такий пробій має місце при низькій напрузі на переході (менше 5В) і характеризується негативним температурним коефіцієнтом. При напрузі на переході від 5 до 6В одночасно є обидва види пробою, тому температурний коефіцієнт близький до нуля. Графік залежності температурного коефіцієнта TKH ст від напруги стабілізації U ст наведено на рис. 3.7.
Основними параметрами стабілітронів є:
Напруга стабілізації U ст;
Температурний коефіцієнт напруги стабілізації ТКН ст;
Допустимий струм через стабілітрон I ст.доп
Диференціальний опір стабілітрону r ст.
Крім того, для імпульсних стабілітронів нормується час включення стабілітрону t вкл, а для двосторонніх стабілітронів нормується несиметричність напруг стабілізації U ст = U ст1 – U ст2 .
Диференціальний опір стабілітрону- це параметр, який характеризує нахил вольт-амперної характеристики у сфері пробою. На рис. 3.8 а наведено лінеаризовану характеристику стабілітрона, за допомогою якої можна визначити його диференціальний опір і побудувати схему заміщення, наведену на рис. 3.8 б.
І 
використовуючи наведену на рис. 3.8 б схему заміщення можна розрахувати найпростіший стабілізатор напруги, зображений на рис. 3.9 а. Замінюючи стабілітрон його схемою заміщення, отримаємо розрахункову схему, зображену на рис. 3.9 б. Для цієї схеми можна написати систему рівнянь
В результаті розв'язання системи рівнянь (3.9) отримаємо напругу на виході стабілізатора
Підставивши значення I н, отримаємо остаточно
З виразу (3.11) слід, що вихідна напруга стабілізатора залежить від напруги на вході стабілізатора U вх, опорів навантаження I н та обмеження струму R г, а також параметрів стабілітрона U ст і r ст.
Умовне позначення стабілітрона включає: матеріал напівпровідника (К – кремній); позначення підкласу стабілітронів (літеру С); цифру, що вказує на потужність стабілітрона; дві цифри, що відповідають напрузі стабілізації, та літеру, що вказує на особливість конструкції або корпусу. Наприклад, стабілітрон КС168А відповідає малопотужному стабілітрону (струм менше 0,3 А) з напругою стабілізації 6,8В, в металевому корпусі.
Крім стабілізації напруги стабілітрони також використовуються для обмеження імпульсів напруги та в схемах захисту різних елементів від підвищення напруги на них.
Тунельні діоди. Тунельний ефект полягає у тунельному проходженні струму через p-n-перехід. При цьому струм починає проходити через перехід при напрузі, значно меншому контактної різниці потенціалів. Досягається тунельний ефект створенням дуже тонкого збідненого шару, який тунельному діоді досягає 0,01 мкм. При такому тонкому збідненому шарі в ньому навіть при напрузі 0,6...0,7 напруження поля досягає (5...7)*10 5 В/см. При цьому через такий вузький pn-перехід протікає значний струм.
Цей струм проходить в обох напрямках, тільки в області прямого зміщення струм спочатку зростає, а досягнувши значення I max при напрузі U 1 потім досить різко зменшується до I min при напрузі U 2 . Зниження струму пов'язане з тим, що зі зростанням напруги в прямому напрямку зменшується кількість електронів, здатних здійснити тунельний перехід. При напрузі U 2 кількість таких електронів стає рівним нулю і тунельний струм зникає.
При подальшому підвищенні напруги вище U 2 проходження прямого струму таке саме, як у звичайного діода, і визначається дифузією.
З огляду на дуже малу товщину шару p-n-переходу час переходу через нього дуже мало (до 10 13 - 10 14 с), тому тунельний діод - практично безінерційний прилад. У звичайних діодах електрони проходять через перехід завдяки дифузії, тобто. дуже повільно. Вольт-амперна характеристика тунельного діода наведена на рис. 3.10 а, яке схематичне зображення - на рис. 3.10 б.
На вольт-амперній характеристиці тунельного діода можна виділити три основні ділянки: початкову ділянку зростання струму від точки 0 до I max , ділянку спаду струму від I max до I min і ділянку подальшого зростання струму від I min . Очевидно, що спадаюча ділянка, на якій позитивному збільшенню напруги U > 0 відповідає негативне збільшення струму I, має негативний опір (або негативну провідність -G).
Схема заміщення тунельного діода у вибраній робочій точці на ділянці негативного опору малого сигналу має вигляд, наведений на рис. 3.10 ст. На цій схемі С - загальна ємність діода в точці мінімуму вольт амперної характеристики, -G - негативна провідність на ділянці, що падає, r н - послідовний опір втрат, L - індуктивність висновків.
Схема генератора на тунельному діоді наведено на рис. 3.11 а. У цій схемі тунельний тріод ТД включається послідовно з навантаженням та джерелом постійної напруги Е. Для виникнення коливань у цій схемі необхідно виконати дві умови. Перше умова у тому, щоб напруга джерела Е забезпечувало перебування робочої точки ТД дільниці негативного опору (падаючому ділянці). Друга умова полягає в тому, щоб негативний опір ТД був більшим за позитивний опір навантаження R H (тобто 1/G > R H).
На рис. 3.11 б показано, як потрібно вибирати напругу джерела живлення Е при заданому опорі навантаження R H . На осях вольт-амперної характеристики ТД відкладаються дві точки. На осі напруги відкладається напруга джерела живлення Е, що відповідає напрузі на діоді при закороченому навантаженні R H , а на осі струму відкладається струм E/R H що відповідає закороченому ТД. Ці дві точки з'єднуються прямою лінією, яка називається навантажувальною. Перетин лінії навантаження R H з вольт-амперною характеристикою ТД відповідає їх однаковому струму (що необхідно при їх послідовному з'єднанні) і визначає положення робочої точки.
Як видно із рис. 3.11 б робоча точка на падаючій ділянці може бути забезпечена двома способами проведення навантажувальної лінії. Навантажувальна лінія 1, проведена через точки Е 1 і E 1 /R H2 перетинає вольт-амперну характеристику ТД у трьох точках А, В і С. Очевидно, що при підключенні живлення до схеми першої буде робоча точка А, в якій опір ТД позитивне Отже, генерації не буде.
Навантажувальна лінія 2, проведена між точками Е 2 і E 2 / R H3 перетинає вольт-амперну характеристику ТД тільки в одній точці В. Такий вибір напруги живлення Е 2 і навантаження R H3 забезпечує можливість виникнення коливань у схемі. Для визначення допустимого опору навантаження знайдемо негативний опір ТД. І тому визначимо повний опір ТД, користуючись його схемою заміщення (рис. 3.10 в).
В даний час для виготовлення переходів в арсеніді галію використовують три основні групи методів: дифузію, епітаксию з газової фази та епітаксию з рідкої фази. Метод вплавлення, що застосовувався раніше в напівпровідниковій техніці, тепер не використовується в технології ПКГ, оскільки він не дає різьбленого і плоского електронно-діркового переходу і тому непридатний для виготовлення лазерних діодів. Тому зараз основними методами виготовлення діодів ПКГ є методи дифузії та епітаксії.
8.3.1. Метод дифузії
Теорія дифузії полягає в припущенні, що атоми домішки не взаємодіють друг з одним у процесі дифузії, і швидкість дифузії залежить від їх концентрації. З цього припущення виведені фундаментальні рівняння дифузії - закони Фіка. Перший закон Фіка визначає дифузійний потік як величину, пропорційну градієнту концентрації (в ізотермічних умовах за одновимірної дифузії)
де - Концентрація дифундують атомів; х – координата відстані; коефіцієнт дифузії.
Другий закон Фіка визначає швидкість дифузії
Виходячи з цих законів, можна знайти розподіл концентрації домішки у напівобмеженому зразку. Для випадку, коли вихідна концентрація в обсязі кристала близька до нуля, а поверхнева концентрація становить і залишається постійною, концентрація домішки через х на глибині х дорівнює
Якщо ж дифузія походить з тонкого шару завтовшки з концентрацією домішки на одиницю
поверхні то розподіл домішки виражається рівнянням
Визначення концентраційних профілів розподілу домішки у зразку виробляють методом радіоактивних індикаторів, або зондовим методом вимірювання «розтікання опору» по косому зрізу зразка.
Залежність коефіцієнта дифузії від температури має вигляд
Однак ця залежність не завжди витримується в бінарних напівпровідниках через відхилення від закону Фіка, оскільки домішка взаємодіє з одним із компонентів сполуки або з вакансіями, що утворюються внаслідок випаровування летючого компонента при дисоціації сполуки. Іноді в результаті взаємодії домішки з компонентами з'єднання утворюються нові сполуки, більш стійкі ніж вихідний бінарний напівпровідник. У з'єднаннях типу дифузія відбувається за допомогою руху атомів по вузлах грат елементів III і V груп. Енергія активації дифузії у своїй залежить від типу подрешетки, вузлами якої відбувається дифузія. Однак цей механізм не єдиний; можлива, наприклад, дифузія домішки по міжвузлям. Дифузія різних домішок до бінарних напівпровідників розглянута в оглядах. Дані дифузії домішок в арсенід галію наведені в табл. 8.3.
Виготовлення переходів методом дифузії можна проводити за допомогою дифузії як донорів в арсенід галію-типу, так і акцепторів у матеріал-типу. Оскільки дифузія донорів відбувається дуже повільно, зазвичай проводять дифузію акцепторів. Найпоширенішими легуючими домішками, використовуваними виготовлення інжекційних є акцептор - цинк і донор - теллур. Промисловість випускає монокристали арсеніду галію, призначені для виробництва ПКГ, леговані телуром до концентрацій
(Клацніть для перегляду скана)
концентрації, як було показано вище, є оптимальними. Електронно-дірковий перехід у пластинах, вирізаних із цих монокристалів, виробляють дифузією цинку, яка дозволяє при не надто високих температурах досить швидко виготовляти перехід на будь-якій бажаній глибині.
Пластини арсеніду галію, що надходять на дифузію, повинні бути спеціально підготовлені. Насамперед рентгенівським способом виявляють у кристала площину з індексом (100). Потім кристал розрізають на пластини паралельно до цієї кристалографічної площини. Вибір площини визначається такими міркуваннями. Кристали з'єднань легко сколюються по площині (110). У кубічній структурі сфалериту, характерної цих сполук, є три площини (110), перпендикулярні площині (111), і дві перпендикулярні (100). Якщо вибирається площина (111), можуть бути виготовлені трикутні діоди ПКГ.
Діоди з типовими резонаторами Фабрі-Перо легко виготовляються з пластин, вирізаних паралельно площині (100) двостороннім простим склом уздовж (110). Ці площини резонатора повинні бути строго перпендикулярні майбутньому переходу, оскільки товщина активного шару діода становить лише 1-2 мкм. Отже, мізерні відхилення площини резонатора можуть призвести до виходу випромінювання з активної області. Для того, щоб виконати цю вимогу, одну сторону пластини зішліфовують порошком з розміром зерен 5 мкм перпендикулярно до сколених площин ще до проведення дифузії. Шліфовану поверхню пластини полірують вручну на склі полірувальним порошком (з розміром зерен спочатку 1 мкм, а потім 0,3 мкм). Іноді застосовують хімічне полірування.
Процес дифузії цинку поліровану пластину арсеніду галію проводять або в закритому обсязі (у запаяній ампулі), або в проточній системі. Найчастіше використовують закриту систему. Для цього ампулу попередньо відкачують до залишкового тиску близько мм рт. ст. Як джерело цинку беруть або елементарний цинк, або його сполуки.
яких обирають залежно від температурних умов дифузії. Якщо в якості джерела домішки застосовують елементарний цинк, то ампулу поміщають і елементарний миш'як у співвідношенні або Як буде показано нижче, тиск миш'яку в ампулі має велике значення в цьому процесі.
Існують три варіанти дифузійних процесів, що застосовуються у технології для утворення переходів.
1. Одноетапна дифузія цинкув атмосфері миш'яку в пластину (100) або (111) проводиться при температурі протягом Цинк і миш'як завантажують в ампулу у співвідношенні загальна концентрація їх у газовій фазі повинна становити Після закінчення процесу ампулу різко охолоджують водою. Тривалість процесу вибирають залежно від бажаної глибини залягання переходу.
В результаті тригодинної дифузії у цих умовах перехід утворюється на глибині близько 20 мкм.
2. Дифузія цинку з наступним відпалом в атмосфері миш'яку.Процес дифузії аналогічний описаному вище, але після закінчення процесу дифузії пластину поміщають в іншу ампулу, куди також поміщають миш'як у кількості Ампулу із завантаженням відкачують до мм рт. ст. і витримують у печі при температурі 900 °С протягом відпал сприяє розширенню компенсованої області, вирівнюванню активного шару переходу, створенню плавного, нерізкого переходу. Оптимальними умовами є наступні: I етап (дифузія) – температура концентрація цинку співвідношення тривалість I етапу II етап (відпал) – температура 900 або – концентрація миш'яку тривалість II етапу Глибина дифузії в цих умовах становить близько 8 мкм.
3. Триетапна дифузія.До описаного вище двоетапного процесу дифузії додають третій етап - неглибоку дифузію цинку з утворенням шару.
Після закінчення процесу дифузії та охолодження ампули пластину арсеніду галію виймають і сколюють її край для виявлення переходу, визначення глибини його залягання та візуального спостереження його характеристик: рівності, ширини та ін.
зробити перехід чітко видимим, скол піддають травленню в розчині або Краплю розчину наносять на сколоту поверхню і витримують протягом 15 - 30 с, після чого пластину споліскують дистильованою водою. На травленої поверхні може бути помічені дві лінії: нижня лінія визначає межу переходу, а верхня - місце, де починається виродження матеріалу -типу.
Механізм дифузії цинку в арсенід галію.Розподіл концентрації цинку в арсеніді галію внаслідок дифузії має аномальний характер. Для дифузії цинку при температурах нижче може бути описано функцією гаусової помилок, тобто рівняннями (8.4) і (8.5); при цьому величини коефіцієнтів дифузії можуть бути обчислені з урахуванням параметрів, наведених у таблиці. 8.3. Для температур дифузії вище 800 ° С розподіл цинку в арсеніді галію не підпорядковується цій класичній закономірності. Типові приклади аномального розподілу цинку показано на рис.
8.13 для дифузії при температурі протягом
Аномальні явища при дифузії цинку в арсенід галію є предметом численних досліджень. Помічені такі факти.
Рис. 8.13. Профілі розподілу концентрації цинку в пластині арсеїїду галію для різних поверхневих концентрацій при температурі дифузії та тривалості близько
При температурах дифузії вище коефіцієнт дифузії цинку сильно залежить від концентрації миш'яку, а розчинність цинку в арсеніді галію підвищується навіть на три порядки (з 1017 до наявності дефектів, недосконалостей структури, дислокацій прискорює дифузію і погіршує площинність переходу в особливу увагу. , Т. е. за відсутності градієнта концентрації цинку на зразку.
Атоми цинку можуть перебувати в арсеніді галію або на місцях галію або в міжвузлях. Отже, дифузія цинку може відбуватися за галієвими вакансіями і міжвузлями. Закон Фіка для подвійного механізму дифузії може бути виражений рівнянням
де і - коефіцієнти дифузії цинку по міжвузлям і механізму заміщення галію.
Це рівняння можна спростити, ввівши ефективний коефіцієнт дифузії:
Результати ізоконцентраційної дифузії показують, що з високих концентраціях цинку переважає дифузія по междоузлиям, тобто.
Отже, ізоконцентраційна дифузія може бути описана рівнянням (8.4). Коефіцієнт ізоконцентраційної дифузії може бути обчислений на основі аналізу концентрації атомів міждоузельного цинку та вакансій галію. Сильна його залежність від концентрації цинку показана на рис. 8.14.
Рис. 8.14 Залежність коефіцієнта дифузії цинку в арсеніді галію від концентрації цинку.
Однак у реальних технологічних умовах за високих температур поверхнева концентрація цинку на арсеніді галію досягала трохи перевищувала щільність парів цинку в ампулі. За відсутності тиску миш'яку в ампулі розподіл цинку в зразку неперетворювалося, і
Перехід виходив нерівним, особливо при низьких концентраціях цинку. Введення в ампулу миш'яку суттєво виправляло становище. Залежність коефіцієнта дифузії від концентрації цинку значно зменшувалася, дифузія протікала більш закономірно, перехід виходив рівним.
Слід звернути увагу на той факт, що аномальні явища в дифузії цинку виникають при температурах вище температури початку розкладання арсеніду галію. Крім того, оскільки цинк утворює з миш'яком дві конгруентно плавляться сполуки: можна очікувати утворення їх як на джерелі цинку, так і на поверхні арсеніду галію. Ці процеси, як і дисоціація арсеніду галію, можуть призвести до виділення рідкого галію та утворення галієвих розчинів цинку та арсеніду галію, внаслідок чого виникають локальні поверхневі порушення, що надалі спотворюють дифузійний профіль та перехід. Щоб усунути ці поверхневі порушення і наблизити дифузію до ізоконцентраційного режиму, іноді проводять дифузію цинку через плівку нанесену на арсенід галію, або з легованої плівки цинком.
Умови досягнення відтворюваної дифузії цинку в арсенід галію можуть бути визначені н? на підставі розгляду фазових діаграм рівноваги галій-миш'як-цинк (рис. 8.15).
Якщо як дифузант використовується тільки елементарний цинк, то відбуватиметься перенесення миш'яку з арсеніду галію на джерело цинку до утворення рівноважних фаз цинку арсенідів на обох поверхнях. Природно, це призведе до виділення рідкого галію, порушення поверхні пластини та спотворення фронту дифузії.
Якщо джерелом є цинк і миш'як або арсеніди цинку, то все залежить від кількості дифузанта, його складу та температури. При малих кількостях дифузанта (кілька ампули) конденсованої фази не утворюється - весь ційк і миш'як у паровій фазі. Поверхневих порушень переходу від тривалості дифузії та температури виражається
*Фізичні основи мікроелектроніки; Електроніка; Флеров О.М, 2015.
Лекція 6, тези
Напівпровідникові діоди
Типи діодів:діоди бувають:
- електровакуумні(кенотрони),
- газонаповнені(газотрони, ігнітрони, стабілітрони),
- напівпровідниковіе.
В даний час в переважній більшості випадків застосовуються напівпровідникові діоди.
Напівпровідниковий діод- це напівпровідниковий прилад із двома висновками, що містить один p-n перехід.
Рис. 6.1 Напівпровідниковий діод (схема) та умовне графічне позначення (УДО) діода
Найбільше застосування отримали кремнієві (Si -99% всього парку діодів) силові, імпульсні та ін., арсенід галієві (GaAs) - НВЧ діоди, перспективні - карбід кремнієві (SiC), нітрид галієві (GaN), InGaN, AlGaN - НВЧ діоди світлодіоди (InP, PbS), рідше застосовуються германієві (Ge) напівпровідникові діоди.
Одностороння провідність p-nпереходу наочно ілюструється його вольтамперною характеристикою (ВАХ), що показує залежність струму через p-n-перехід від величини та полярності прикладеної напруги
Рис. 6.2 п/п діоди, конструкції (масштаб не витриманий)
Класифікація діодів
за фізики роботи- тунельний, лавинно-пролітний, з бар'єром Шоттки, з накопиченням заряду, світлодіод та ін.
Від способу отриманняp- nпереходівнапівпровідникові діоди поділяються (за видом переходу) на два типи: точкові та площинні.
- від технології виготовлення p-n переходу діоди поділяються на точкові, мікросплавні, сплавні, дифузійні, епітаксійні.
Точковий діод ето діод із дуже малою площею електричного переходу.
У 
точковому діоді з пластинкою кремнію або германію (наприклад, n-типу) стикається загострена металева тяганина, що утворює випрямляючий перехід у місці контакту (рис. 6.1).
Для створення стабільного контакту, що випрямляє, при виготовленні точкового діодаз пластинкою стикається загострена металева голка, що має на кінці домішка. Індія або алюмінію.
В результаті термодифузії (подача сильних імпульсів струму) у кристалі п/п утворюється шар р-типу.
Рис. 6.1 Варіант конструкції
точкового діода
Мікроплавний діодзаймають проміжне положення між площинними та точковими. Мікроплавні діоди, що мають також малу площу переходу.
При виготовленні мікросплавного діода p-n перехід формується, наприклад, шляхом мікровплавлення в кристал (наприклад Ge) тонкої золотої тяганини з присадкою
галію на кінці.
Діоди з мікросплавними переходами вигідно відрізняються від точкових кращою стабільністю параметрів, але ємність переходу у них більша і граничні частоти нижчі, ніж у точкових діодів.
Сплавний діод
При виготовленні сплавних діодіввідбувається вплавлення домішки в кремній або інший п/п.
Електронно-діркові переходи сплавних діодів- різкі.
Рис. 6.2 Сплавний діод, будова та конструкція
Сплавний діод малої потужності- діод із середнім значенням випрямленого струму трохи більше 0,3 а. У середину пластинки кремнію (Si) провідністю n-типу (рис. 6.2.1) вплавлено циліндричний стовпчик з алюмінію (Аl). Атоми алюмінію дифундує (проникає) в пластинку, внаслідок чого провідність частини об'єму пластинки поблизу стовпчика стає дірковою (р-типу). Між нею та рештою об'єму пластинки утворюється р-n перехід з гарною провідністю від алюмінію до кремнію.
Конструкції сплавного діода- На рис. 6.2.3.
Аналогічну конструкцію має германієвий випрямний сплавний діод малої потужності, тільки германієву пластинку вплавлений індій.
Сплавний діод середньої потужності- діод із середнім значенням випрямленого струму від 0,3 до 10 а. Між пластинками кремнію n-типу та p-типу прокладають алюмінієву фольгу та нагрівають. Алюміній сплавляється з кремнієм і всередині монолітної пластинки, що вийшла, утворюється р-n перехід (рис. 6.2.2).
Така конструкція показана на (рис.6.2.4)
Дифузійний діод
Конструкції сплавних та дифузійних діодіваналогічні.
При виготовленні дифузійних діодів p-n перехід створюється при високій температурі дифузією домішки в кремній або германій із середовища, що містить пари домішкового матеріалу.
Рис. 6.3 Дифузійний діод
Дифузійний площинний р-n перехід виготовляється на основі кремніюn-Типуабо германію р-типу.
Дифузантами у першому випадку є бор (В), тоді як у другому - сурма (Sb). Дифузія здійснюється при нагріванні у водневій печі.
Пластина Si нагрівається до температури, близької температури плавлення, а таблетка бору до випаровування. У цих умовах атоми бору (B) напилюються на поверхню пластини і дифундують її вглиб. Внаслідок цього поверхні кристала Si утворюється шар Si p-типа. Наступним травленням цей шар видаляється з усіх граней пластинки, крім однієї.
Між дифузійним шаром кремнію p-типу та платівкою Si n-типу утворюється плавнийр-n перехід (рис.6.3), в якому емітер є високолегований дифузійний шар.
Метод дифузіїдозволяє досить точно контролювати процес виготовлення переходу, внаслідок чого забезпечується однорідність параметрів переходів, що виготовляються.
Конструктивно площинні дифузійні діоди оформляються у металеві корпуси з висновками. Для поліпшення тепловідведення кристал припаюється безпосередньо до корпусу, який є одним із висновків.
Епітаксіальні діоди
Епітаксіальні(планарні, епітаксійно-планарні дифузійні діоди) виготовляються методом епітаксії та локальної дифузії.
Епітаксієюназивається процес нарощування монокристалічних шарів на підкладку, яка виконує роль несучої конструкції структури зі збереженням орієнтації кристалів підкладки.
Епітаксія дозволяє вирощувати шари будь-якого типу провідності, необхідного питомого опору та будь-якої товщини (до кількох мікрометрів).
Локальною дифузієюназивається створення p-n переходу шляхом дифузії домішкових атомів епітаксиальний шар через вікно в масці (наприклад, з оксиду кремнію)
Рис. 6.4 Епітаксіально-планарний діод, p-n перехід -1
Послідовність виготовлення: базу виготовляють шляхом нарощування на підкладці (4) з підвищеною провідністю епітаксійного n-шару (3) з зниженою провідністю, окислення (2) - створення оксидного шару Si0 2 формування "вікна" в оксидному шарі двоокису кремнію Si0 2 шляхом травлення плівки окисла потім виробляють дифузію донорної домішки (бору або алюмінію) в епітаксійний шар через вікно, створюється р-n перехід (1).
Виготовляється металізація майданчиків на n+ та p+ для висновків.
Виробляється формування висновків та монтаж у корпус.
Планарні дифузійні діоди характеризуються високою надійністю, стабільністю параметрів та великим терміном служби.
Площинні діодимають великі площі переходу, внаслідок чого їм притаманні великі ємності та великі робочі струми (до сотень і навіть тисячі амперів). Використовуються у низькочастотних потужних електронних пристроях (силових).
Випрямлювальні діоди
Призначені для перетворення змінної напруги (струму) на постійну напругу (струм) у схемах електронних стабілізаторів.
Напівпровідникові випрямні діоди за експлуатаційною надійністю та терміном служби значно перевершують всі інші типи вентилів (лампові). Тому вони найбільше широко використовуються в джерелах харчування.
ВАХ діодів- Основна характеристика напівпровідникових діодів.
приклад
Еквівалентна схема випрямного діода
Рис. 6.5 Еквівалентна електрична схема діода
r pn = T/I (6.1)
T температурний потенціал;
r б - одиниці-десятки [Ом];
З д - одиниці-десятки [пФ]
Пряме падіння напруги випрямних кремнієвих діодів не перевищує
(1-2)В і більше, ніж у германієвих.
Т.ч., у випрямлювальних пристроях низьких напруг вигідніше застосовувати германієві діоди.
Але кремнієві діоди мають у багато разів менші зворотні струми при однаковій напрузі, ніж германієві, тому вони отримали переважне поширення.
Допустима зворотна напруга германієвих діодів лежить у межах:
U o 6 pGe = 100-400В, кремнієвих діодів: U o 6 psi = 1 000 – 1500B.
приклад: випрямляч на діоді
Робота напівпровідникового випрямного діода заснована на властивості
p-n переходу пропускати струм лише одному напрямку. Найпростіша (однонапівперіодна) схема випрямляча на напівпровідниковому діоді рис.6.6:
Рис. 6.6 Схема однонапівперіодного випрямляча
Трансформатор служить перетворення величини напруги, тобто. для отримання заданої напруги на виході випрямляча.
У цій схемі струм через діод та навантаження R H протікає лише у позитивні напівперіоди вхідної напруги U ex , і крива напруги на навантаженні складатиметься з позитивних напівхвиль синусоїди (якщо ємність С відключена)
Місткість З згладжує однополярні пульсації напруги на навантаженні Rн.
Для того, щоб уникнути втрати напівперіоду напруги використовується двонапівперіодна схема випрямлячів -схеми із середньою точкою та бруківка.
Рис.6.8 Включення діодів у бруківці (а) і епюри вхідної вихідної напруги однонапівперіодної та двонапівперіодної схем (б).
Параметри випрямного діода (основні)
1. Максимально допустимий прямий струм діода Inнар.max
2. Пряме падіння напруги Unp - значення прямої напруги на діоді при заданому
значення прямого струму;
3. Максимально допустима зворотна напруга Uобр.max
4. Максимальна робоча частота, fmax
5. Максимальна допустима розсіювана потужність РДОП.max
Стабілітрон
Стабілітрон- Напівпровідниковий діод, призначений для стабілізації напруги.
Рис. 6.8 Умовне графічне позначення
Як матеріал для напівпровідникових стабілітронів використовується, як правило, кремній, що володіє високою температурною стабільністю.
Рис. 6.9 ВАХ стабілітрону
У прямому включенні ВАХ Стабілітрон практично не відрізняється від прямої гілки будь-якого кремнієвого діода.
Зворотня гілка ВАХ має вигляд прямої вертикальної лінії, що проходить майже паралельно осі струмів.
Нормальним режимом роботи стабілітрону є робота при зворотній напрузі на ділянці електричного пробою р- n переходу.
У порівнянні із звичайними діодами стабілітрон має досить низьку напругу пробою (при зворотному включенні) і може підтримувати цю напругу на постійному рівні при значній зміні сили зворотного струму.
Напівпровідниковий матеріал стабілітронів, мають високу концентрацію легуючих домішок (вузький перехід). Тому, при відносно невеликих зворотних напругах у переході виникає сильне електричне поле, що викликає його електричний пробій, що в цьому випадку є оборотним (якщо не настає тепловий пробій внаслідок порушення теплового балансу).
В основі роботи стабілітрона лежать два механізми:
- лавинний пробій(пробою Аваланчі, avalanche breakdown) зазвичай розвивається у досить широких p- n-переходах. Напруга стабілізації > 5-6В.
- тунельний пробій (пробою Зенера, Zener, в англомовній літературі, діод Зенера) ,
розвивається в тонких р-nпереходах за великої напруженості електричного поля. Напруга стабілізації< 5В.
Вони є у будь-якому стабилитроне разом, але переважає лише одне із них.
При зміні в межах струму через прилад падіння напруги на ньому практично не змінюється. Це властивість кремнієвих стабілітронів і дозволяє використовувати їх як стабілізатор напруги.
Для того, щоб запобігти тепловій пробій у конструкції стабілітрону передбачено відведення тепла від р-n переходу.
Приклад:Схема включення стабілітрона (параметричний стабілізатор)
Найпростіша схема стабілізації постійної напруги – рис. 6.10
Вихідна напруга стабілізатора повинна залишатися постійною при зміні вихідної напруги або зміни опору навантаження.
Рис. 6.10Параметричний стабілізатор
Вихідна напруга стабілізатора не може бути абсолютно стабільною. Прирощення U cm малі, і залежать від збільшення вхідної напруги Uвх .
U вх = U cm + I R 0 R 0 (6.2)
де r q - струмообмежуючий резистор.
I R 0 = (U вх - U cm) / R 0 , (6.3)
При збільшенні вхідної напруги U вх + U вх
I' R 0 = (U вх + U вх - U cm)/ R 0 (6.4)
При цьому I'R 0 > I R 0 і I' cm > I cm струм через стабілітрон збільшується.
Параметром, що визначає якість стабілізатора є коефіцієнт стабілізації.
Коефіцієнт стабілізаціївизначається так:
(При цьому 1 Н вважається постійним)
(6.5)
Основні параметри стабілітронів
2. Мінімальний струм стабілізації 1 ст (~3 мА) - значення струму, що протікає через
стабілітрон, при якому виникає стійкий пробій.
3. Максимальний струм стабілізації 1 ст MAX (~20 мА – 1А) - значення струму
протікає через стабілітрон, при якому потужність, що розсіюється на стабілітроні, не
перевищує допустиме значення.
4. Максимальна потужність розсіювання P pa з c = U cm I cm - найбільша потужність, що виділяється
на p-n переході, коли він не виникає теплового пробою переходу.
5. Диференціальний опір r cm = U cm / I cmвідношення збільшення напруги
на стабілітроні до збільшення струму в режимі стабілізації. Характеризує ступінь
стабільності напруги стабілізації при зміні струму пробою
На ділянці стабілізації r cm~ const; r cm= 0,5 – 200 Ом.
6. Температурний коефіцієнт напруги (TKU) стабілізації
(6.6)
де t 1 ° C - вихідна температура.
TKU = 0,1 ... 0,01% / ° С
Для самостійного вивчення
ДОДАТОК 3
Позначення діодів
XXXXXX(наприклад, КД243А)
1-ий елемент (літера або цифра) означає вихідний матеріал:
Г(1) – германій;
К (2) – кремній;
А (3) - сполуки галію;
І (4) – з'єднання Індія.
Якщо стоїть не буква, а цифра, це означає, що прилад може працювати при підвищених температурах (германієвий прилад при 70 С; кремнієвий при 120°С).
Другий елемент (літера) вказує на тип напівпровідникового діода:
Д – випрямні, універсальні, імпульсні;
А - надвисокочастотні;
С - стабілітрони та стабистори;
І - тунельні та звернені;
В – варикапи;
Ц – випрямні стовпи;
Л – випромінювальні;
Ф – фотоприймачі.
третій елемент (Цифра) - число, що визначає призначення та якісні властивості діодів.
1 - Випрямлювальні діоди малої потужності (1пр ср < 0, ЗА);
2 - Випрямлювальні діоди середньої потужності (0,3А< 1ін ср < 10А);
4. Імпульсні діоди з часом відновлення менше 500нс.
У стабілітронів 3 -ий елемент позначення визначає індекс потужності
Приклад:
Р тах < 0,3Вт: 1 U cma б< 10в
2 10B< U cma 6 < 99B;
3 100В< U стаб < 199В.
0.3 Bт< P max < 5Вт: 4 U cma б<10В;
4-ий та 5-ий елементи (цифри) – порядковий номер розробки (від 0 до 99).
У стабілітронів – це позначення напруги стабілізації.
приклад: КС156 А -5,6В
6-ий елемент (літерний) визначає різновид приладу за технологічними ознаками, а у стабілітронів та стабісторів - вказує на послідовність розробки.
приклад: ГД412А- діод напівпровідниковий, германієвий, універсальний, германієвий номер розробки 12, група А.
**************************************************************
Д9, Д102 - "старовинні" назви
Контакт двох напівпровідників n- та p-типів називають p-n-переходом або n-p –переходом. Внаслідок контакту між напівпровідниками починається дифузія. Деяка частина електронів переходить до дірок, а частина дірок переходить на бік електронів.
У результаті напівпровідники заряджаються: n- позитивно, а p – негативно. Після того, як електричне поле, яке виникатиме в зоні переходу, почне перешкоджати переміщенню електронів та дірок, дифузія припиниться.
При підключенні pn-переходу в прямому напрямку він пропускатиме через себе струм. Якщо ж підключити pn-перехід у зворотному напрямку, він практично пропускати струм.
На наступному графіку показані вольт-амперні характеристики прямого та зворотного підключення pn-переходу.
Виготовлення напівпровідникового діода
Суцільною лінією намальована вольт-амперна характеристика прямого підключення pn-переходу, а пунктирною зворотного підключення.
З графіка видно, що pn-перехід по відношенню до струму несиметричний, тому що в прямому напрямку опір переходу набагато менше, ніж у зворотному.
Властивості pn-переходу широко використовуються для випрямлення електричного струму. Для цього на основі pn-переходу виготовляють напівпровідниковий діод.
Зазвичай виготовлення напівпровідникових діодів використовують германій, кремній, селен і інших речовин. Розглянемо докладніше процес створення pn-переходу, використовуючи германій із напівпровідністю n-типу.
Такий перехід не вдасться отримати шляхом механічного з'єднання двох напівпровідників із різними типами провідності. Це неможливо, тому що при цьому між напівпровідниками виходить занадто великий зазор.
А нам необхідно, щоб товщина pn-переходу повинна бути не більшою за міжатомні відстані. Щоб уникнути цього, одну з поверхонь зразка вплавляють індій.
Для створення напівпровідникового діода напівпровідник з домішкою p-типу, в якому містяться атоми індію, нагрівають до високої температури. Пари домішок n-типу осідають на поверхні кристала. Далі внаслідок дифузії вони впроваджуються у сам кристал.
На поверхні кристала, у якого провідність p-типу, утворюється область із провідністю n-типу. На наступному малюнку схематично показано, як це виглядає.
Щоб виключити вплив повітря і світла на кристал, його поміщають у герметичний металевий корпус. На важливих електричних схемах, діод позначають з допомогою наступного спеціального значка.
Напівпровідникові випрямлячі мають дуже високу надійність і довгий термін служби. Основним недоліком є те, що вони можуть працювати лише в невеликому інтервалі температур: від -70 до 125 градусів.
