Файл: ТЭ.docx

5.9 Полупроводниковые диоды

В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе pn-перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

5.9.1 Выпрямительные диоды

Основу выпрямительного диода составляет pn-переход, ВАХ такого диода имеет ярко выраженную нелинейность. В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Вентильные свойства диода выражены тем ярче, чем меньше обратный ток и прямое напряжение (в идеальном случае они должны быть равны нулю). Эти требования противоречат друг другу. Уменьшение тока насыщения, например, за счет увеличения концентрации легирующей примеси в соответствии с формулой , ведет, как следует из формулы, к возрастанию контактной разности потенциалов и, следовательно, к увеличению прямого напряжения, которое необходимо подавать на диод для получения того же значения прямого тока.К аналогичным выводам можно прийти, анализируя влияние ширины запрещенной зоны (собственной концентрации носителей) на значения этих параметров (рис. 5.26).

В Si диоде обратный ток определяется током генерации-рекомбинации в ОПЗ, а в Ge диоде – током экстракции (насыщения I_s). На прямой ветви ВАХ при напряжении V* наблюдается резкий перегиб. Обычно значения V* составляют 0,6-0,7 В для диодов на основе Si и 0,3-0,4 В для Ge диодов. Эти значения близки к контактным разностям потенциалов этих материалов. При повышении температуры изменяются практически все электрофизические свойства полупроводников, поэтому изменяются и параметры полупроводниковых приборов, в частности, значение контактной разности потенциалов, уменьшается; ток насыщения, растет (рис. 5.28). Необходимо подчеркнуть, что изменение температуры диода может произойти не только вследствие изменения температуры окружающей среды, но и за счет саморазогрева pn-перехода при больших плотностях протекающего через него токов. Снижение влияния температуры добиваются путем введения специальных конструктивных элементов корпусов – радиаторов.

5.9.2 Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, ВАХ которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 5.29.

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U_стаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление R_диф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина R_диф ≈ 2÷50 Ом. Основное назначение стабилитрона - стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи.

Основными характеристиками стабилитрона являются ток I_ст и напряжение U_ст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона r_ст и температурная зависимость этих параметров.

5.9.3 Туннельные диоды

Туннельный диод был предложен в 1958 годуЛео Исаки, который в1973 годуполучил Нобелевскую премию по физике за открытие эффектатуннелирования электронов, применяемого в этих диодах.

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p⁺n⁺-перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке ВАХ которого наблюдается N-образная зависимость тока от напряжения.

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет N_A, N_D~10²⁰ см^-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p_p0, n_n0 >> N_C, N_V. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p⁺- и n⁺-полупроводников. В полупроводнике n⁺ типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p⁺-типа - дырками.

Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного pn-перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность pn-перехода (p⁺- более сильнолегированная область). Тогда ширина p⁺n⁺-перехода мала:

Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:

Таким образом, геометрическая ширина p⁺n⁺-перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p⁺n⁺-переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер.

На рис. 5.31 показаны зонные диаграммы типичного туннельного диода при обратном и прямом смещении, соответствующие различным точкам на ВАХ.

Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями.

Проанализируем особенности ВАХ туннельного диода. При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны п/п p⁺-типа на свободные места в зоне проводимости п/п n⁺- типа. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение ВАХ резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости п/п n⁺- типа на свободные места в валентной зоне п/п p⁺-типа. На участке 1 при обратном смещении (рис. 5.31,а) электроны валентной зоны p⁺- области занимают вакантные места в зоне проводимости n⁺- области без изменения энергии.

При нулевом смещении переходы зона-зона невозможны и ток равен нулю (рис. 5.31,б). При небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости п/п n⁺- типа начинают появляться свободные места в валентной зоне п/п p⁺-типа при той же самой энергии. По мере роста напряжения число прямых переходов возрастает, и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне п/п p⁺-типа оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости п/п n⁺- типа (рис. 5.31,в). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости п/п n⁺- типа оказываются состояния в запрещенной зоне п/п p⁺-типа (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют) (рис. 5.31,г). На этом участке туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p⁺ полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости. Это – участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока pn-перехода (рис. 5.31,д).

Из принципа действия туннельных диодов видно, что процессы в них обусловлены основными носителями заряда, а рекомбинация не играет принципиальной роли. Поэтому характерное время в туннельных переходах есть не время жизни неравновесных носителей, а максвелловское время релаксации , при1 (Ом∙см)^-1 10^-12 с. Вследствие этого теоретический предел частот намного больше, чем у диффузионных pn-переходов. Однако предельная частота реальных приборов понижается вследствие влияния паразитной емкости и индуктивности корпуса прибора.

Первый туннельный диод был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены другие полупроводниковые материалы, пригодные для получения туннельных диодов: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др.

В силу того, что туннельных диод в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.