Полупроводниковые диоды на основе pn перехода

• Название: Полупроводниковые диоды на основе pn перехода
• Дата: 26.03.2023
• Размер: 0.77 Mb.
• Имя файла: 2_Lektsia_poluprovodnikovye_diody.docx
• Тип: Документы; #1016424

(СЛАЙД2)

Полупроводниковые диоды на основе p-n перехода.
Так называют полупроводниковые приборы с одним р-n -переходом и двумя выводами для включения в электрическую цепь. Положительный вывод называется анодом (на нашем рисунке обозначен буквой А) , а отрицательный вывод называется катодом (на рисунке обозначен буквой К),


(СЛАЙД 3) P-n переход в равновесном состоянии и при приложении прямого напряжения
Основным рабочим элементом полупроводникового диода является кристалл германия (или кремния), обладающий проводимостью n-типа за счет небольшой добавки донорной примеси.



Для создания в нем р-n перехода в одну из его поверхностей вплавляют индий (In). Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия, в нем образуется область p-типа. Между этими двумя областями и возникает р-n переход. Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус.

Итак: как вы знаете из физики: АНОД – это электрод , к которому подается положительное напряжение, а КАТОД - это электрод, к которому подается отрицательное напряжение. Анод – это полупроводник p-типа

Рассмотрим включение диода в прямом и обратном направлении. Напомню, что при прямом включении ток образуют основные носители , которых много , а при обратном – неосновные, которых ничтожно мало.

Если, как и положено, мы к аноду диода подключим положительный электрический потенциал, а к катоду – отрицательный электрический потенциал источника тока, то диод будет подключен в прямом направлении, при таком включении диод открыт, и проводимость р-n-перехода увеличивается

(СЛАЙД 4) рассмотрим ВАХ полупроводникового диода



В прямом направлении через диод проходит большой прямой ток пр I .

Этому соответствует ветвь вольтамперной характеристики в первом квадранте ВАХ.

(СЛАЙД 5) P-n переход, подключенный в обратном направлении

При подключении диода в обратном направлении (, т.е. если положительный электрический потенциал подключить к катоду, а отрицательный подключить к аноду) , то обратный ток обр I очень мал и исчисляется в микроамперах.

(СЛАЙД 6) ВАХ полупроводникового диода



Обратному включению соответствует ветвь в третьем квадранте ВАХ. В этом случае диод закрыт и его электрическая проводимость практически равна нулю.

Таким образом, полупроводниковые диоды обладают односторонней электрической проводимостью – пропускают электрический ток только в одном направлении.
(СЛАЙД 7) Основные параметры выпрямительных диодов

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– прямое напряжение Uпр , которое определяется ( по другому говорят нормируется) при определенном прямом токе пр I ;

– максимально допустимый прямой ток диода пр.max I ;

– максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр.max ;

– обратный ток диода обр I ,. Обычно он настолько мал, что им пренебрегают.

Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые габаритные размеры и масса, длительный срок службы, высокая надежность; а существенным недостатком является – зависимость их параметров от температуры.

В настоящее время существуют диоды, предназначенные для работы в очень широком диапазоне электрических токов и напряжений.
(СЛАЙД 8) Технология изготовления

Для изготовления диодов используются различные технологии. В частности:

Эпитаксиальные (планарные, эпитаксиально - планарные диффузионные диоды) изготавливаются методом эпитаксии и локальной диффузии.

Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, выполняющую роль несущей конструкции структуры с сохранением ориентации кристаллов подложки.

Эпитаксия по­зволяет выращивать слои любого типа проводимости, требуемого удельного со­противления и любой толщины (до нескольких микрометров).Локальной диффузией называется создание p-n перехода путем диффузии примесных атомов в эпитаксиальный слой через окно в маске (например, из оксида кремния)

Рис. Эпитаксиально -планарный диод, p-n переход -1

Последовательность изготовления: базу изготовляют путем наращивания на подложке (4) с повышен­ной проводимостью эпитаксиального n-слоя (3) с пониженной про­водимостью, окисление (2) - создание оксидного слоя Si0₂, формирование "окна" в оксидном слое двуокиси кремния Si0₂ путем травления пленки окисла, затем производят диффузию донорной примеси (бора или алюминия) в эпитаксиальный слой через окно, создается р-n переход (1).

(СЛАЙД 9) Виды полупроводниковых диодов.

Какие виды диодов бывают :

• 
  Выпрямительные диоды
  
• 
  Стабилитроны
  
• 
  Варикапы
  
• 
  Туннельные диоды
  
• 
  Диод Шотки
  

Рассмотрим чем они характеризуются.

Выпрямительный диод

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым).

При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.
Стабилитрон – это полупроводниковый диод, который работает в режиме электрического пробоя, который возникает при обратном включении диода и предназначенный для стабилизации напряжения в электрических цепях радиоэлектронной аппаратуры.
На рисунке представлено условное графическое обозначение стабилитрона

. Отличие стабилитрона от выпрямительного диода – в относительно низком напряжении пробоя при обратном включении. Когда это напряжение превышено, обратный ток возрастает скачком (эффект Зенера). В выпрямительных диодах такой режим является аварийным, а стабилитроны нормально работают при обратном электрическом токе, не превышающем максимально допустимого значения.
В режиме пробоя при значительном изменении электрического тока стабилитрона его напряжение изменяется несущественно. Эта особенность вольтамперной характеристики стабилитрона используется для стабилизации и сглаживания пульсации напряжения на нагрузке, подключенной параллельно стабилитрону. Таким образом, стабилитроны могут применяться в устройствах, предназначенных для уменьшения изменения выходного напряжения, то есть для его стабилизации, при значительном изменении входного напряжения.
Варикап – это специальный полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве конденсатора, электрическая емкость которого нелинейно зависит от приложенного к нему электрического напряжения . Закрытый p-n-переход обладает электрической емкостью, значение которой зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. При увеличении обратного напряжения ширина p-n-перехода возрастает, а емкость уменьшается подобно емкости конденсатора, у которого расстояние между обкладками увеличивается. Эта емкость называется барьерной и изменяется от единиц до сотен пикофарад при изменении обратного напряжения на несколько десятков вольт. Варикапы изготавливают на базе кремния, германия, арсенида галлия (GaAs). В радиоэлектронных устройствах свойство нелинейности изменения емкости варикапа применяют для получения параметрического усиления, умножения частоты и других операций. Свойства управляемой емкости p-n-перехода часто используют в радиоприемных и телевизионных системах для (9
Диод Шоттки – это полупроводниковый диод, выполненный на основе контакта металл-полупроводник. Он назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки, создавшего основы теории таких диодов. При изготовлении диодов Шоттки на очищенную поверхность полупроводникового кристалла (Si, GaAs, реже Ge) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и другие). В приконтактной области полупроводника, как и в диодах с p-n переходом, возникает потенциальный барьер, изменение высоты которого под действием внешнего напряжения приводит к изменению электрического тока через прибор. Ток через контакт металлполупроводник, в отличие от тока через p-n-переход, обусловлен только основными носителями электрического заряда. В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6÷0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2÷0,4 вольт. Отличительные особенности таких диодов по сравнению с полупроводниковыми диодами других типов: – возможность получать требуемую высоту потенциального барьера посредством выбора соответствующего металла; – значительная нелинейность вольтамперной характеристики при малых прямых смещениях; – очень малая инерционность; – технологическая совместимость с интегральными схемами; – простота изготовления. Недостатки: – при кратковременном превышении максимального обратного напряжения необратимо выходят из строя; – характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла.
Диоды Шоттки служат главным образом СВЧ-диодами различного назначения (детекторныыми, смесительными, лавинно-пролётными, параметрическими, импульсными, умножительными); кроме того, их применяют в качестве приёмников излучения, детекторов ядерного излучения, модуляторов света, а также используют в выпрямителях тока высоких частот, солнечных батареях и так далее.

(Слайд 11) Компоненты с отрицательным сопротивлением.

Поговорим про компоненты  с отрицательным сопротивлением.

Отрицательное сопротивление, отрицательное дифференциальное сопротивление, свойство некоторых элементов электрических цепей, выражающееся в уменьшении падения напряжения U на них при увеличении протекающего тока I (или наоборот).

 

  Элемент с Отрицательное сопротивление не потребляет электрическую энергию, а отдаёт её в цепь, т. е. является активным элементом. Это происходит за счёт входящего в его состав какого-либо источника, пополняющего запас энергии цепи.

  Отрицательное сопротивление  может осуществляться лишь в некоторой области значений токов и напряжений, за пределами которой  Отрицательное сопротивление указывает на наличие падающего участка на вольтамперной характеристике элемента.

Примером элемента с отрицательным сопротивлением является туннельный диод

1. Туннельный диод

Туннельный диод — это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода.

Обычный диод является прибором с односторонней проводимостью, а туннельный диод может проводить ток в одну и другую сторону. Используется вырожденный ПП с очень большой концентрацией примесей, то есть в материале туннельного диода имеются примеси в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его p-n переход очень тонкий.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей, вследствие чего получается малая толщина p-n -перехода (около 2 10− микрометра), что на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах, и сквозь тонкий потенциальный барьер возможно туннелирование свободных носителей электрического заряда.

При туннельном переходе электроны не затрачивают энергию, и переход совершается со скоростью, близкой к скорости света. Это позволяет использовать туннельные диоды для усиления и генерирования СВЧ-сигналов, создания сверхбыстродействующих переключателей различных импульсных устройств.
(Слайд 12)ВАХ туннельного диода

ВАХ туннельного диода
Особенностью туннельных диодов является наличие участка отрицательного дифференциального сопротивления при прямом смещении.



Особый интерес вызывает прямая ветвь характеристики туннельного диода.

На начальном участке ВАХ прямого смещения (от точки А до точки В на графике) туннельный диод имеет малое положительное дифференциальное сопротивление. Когда туннельный диод имеет прямое смещение при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины.

В точке B (максимальное значение тока является важным параметром и называется током пика). Соответствующее этому току напряжение называется напряжением пика.

Дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении (от точки В до точки С) заставляет ток снижаться до минимального значения. В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным значениями тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, уменьшается при повышении напряжения.кОднако, когда напряжение за точкой С повышается, то дифференциальное сопротивление диода вновь имеет положительный знак. В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления, которое позволяет использовать туннельный диод в качестве усилителя. Может также использоваться в качестве генератора.

(Слайд 13) Особенности туннельного диода.

2. Как устроен туннельный диод.

Для создания туннельного диода можно использовать, например, германий с большим количеством примесей вплоть до вырождения полупроводника.

В качестве донорной примеси можно использовать мышьяк и фосфор, а в качестве акцепторной примеси-алюминий и галий. Примесь в состав полупроводника можно вводить , например, путем диффузии.

Для создания туннельных диодов используется вырожденный полупроводник германия либо арсенид галлия Вырожденный – это означает , что полупроводник содержит очень высокую концентрацию примесей.

СЛАЙД 13. Особенности туннельного диода.
Отличительные характеристики туннельных диодов:

• 
  электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами;
  
• 
  потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых переходов;
  
• 
  наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см.
  

Туннельный диод проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при увеличении напряжения ток уменьшается.
СЛАЙД 14 Параметры туннельного диода

Параметры туннельного диода

• 
  ток пика – максимальный ток прямого направления;
  
• 
  пиковое напряжение, характерное для тока пика;
  
• 
  минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение;
  
• 
  напряжение скачка – максимальный перепад напряжений;
  
• 
  емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения.
  

СЛАЙД 15

Преимущества и недостатки

Плюсы туннельных диодов:

• 
  особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений;
  
• 
  высокое быстродействие (малая инерционность);
  
• 
  устойчивость к ионизирующему излучению;
  
• 
  сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания.
  

Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.

Существенным недостатком диодов этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. Они могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных устройств.
СЛАЙД 16. Сравнение ВАХ туннельного и обычного диодов



СЛАЙД 17.

ВОПРОСЫ