ВВЕДЕНИЕ. Полупроводниковый диод представляет собой двухэлектродный прибор, действие которого основано на использовании электрических свойств pn перехода или контакта металлполупроводник
 Скачать 51.04 Kb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Полупроводниковый диод представляет собой двухэлектродный прибор, действие которого основано на использовании электрических свойств p-n перехода или контакта металл-полупроводник. К этим свойствам относятся: односторонняя проводимость, нелинейность вольтамперной характеристики, наличие участка вольтамперной характеристики, обладающего отрицательным сопротивлением, резкое возрастание обратного тока при электрическом пробое, существование емкости p-n перехода. В зависимости от того, какое из свойств p-n перехода используется, полупроводниковые диоды могут быть применены для целей выпрямления, детектирования, преобразования, усиления и генерирования электрических колебаний, а также для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и в качестве переменных реактивных элементов. Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены: эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник; фотопроводимость. Были построены первые приборы на их основе. О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике). Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей). В СССР изучение полупроводников начались в конце 20-х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР. Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос в связи с ткрытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p - n - переходе, а затем на гетеропереходах. В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки. 1 Классификация полупроводниковых диодов
Полупроводниковый диод- это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых приборах может быть электронно-дырочный переход, гетеропереход или контакт металл-полупроводник. В диоде с электронно-дырочным переходом кроме выпрямляющего электрического перехода должно быть два невыпрямляющих перехода, через которые p- и n-области диода соединены с выводами. В диоде с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта металл- полупроводник всего один невыпрямляющий переход. Р n А В А А - выпрямляющие контакты Б - невыпрямляющие контакты Рисунок 1 Структура полупроводниковых диодов Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Поэтому при прямом включении диода количество неосновных носителей, инжектированных из Р n сильнолегированной области в слаболегированную область, значительно больше, чем количество неосновных носителей, проходящих в противоположном направлении. В соответствии с общим определением область полупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных носителей, называют базой диода. Таким образом, в диоде базовой областью является слаболегированная область. В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая из двух величин, определяющая свойства и характеристики диода: диффузионная длина неосновных носителей в базе или толщина баз. Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно больше характеристической длины. Точечным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньше характеристической длины. Выпрямляющий переход кроме эффекта выпрямления обладает и другими свойствами: нелинейностью вольтамперной характеристики; явлением ударной ионизации атомов полупроводника при относительно больших для данного перехода напряжений; явлением туннелирования носителей сквозь потенциальный барьер перехода как при обратном, так в определенных условиях и при прямом напряжении; барьерной емкостью. Эти свойства выпрямляющего перехода используют для создания различных видов полупроводниковых диодов: выпрямительных диодов, смесителей, умножителей, модуляторов, стабисторов, стабилитронов, лавинно-пролетных диодов, туннельных и обращенных диодов, варикапов.
Диоды, используемые в электрических устройствах для преобразования переменного тока в ток одной полярности, называют выпрямительными. Разновидностью выпрямительных диодов являются лавинные диоды. Эти приборы на обратной ветви ВАХ имеют лавинную характеристику, подобную стабилитронам. Наличие лавинной характеристики позволяет применять их в качестве элементов защиты цепей от импульсных перенапряжений, в том числе непосредственно в схемах выпрямителей.
Диодные матрицы и сборки предназначены для использования в многоступенчатых диодно-резистивных логических устройствах, выполняющих операции И, ИЛИ, диодных функциональных дешифраторах, различных коммутаторов тока и других импульсных устройствах. Конструктивно они выполнены в одном корпусе и могут быть электрически соединены в отдельные группы или в одну группу (общий анод и раздельные катоды, общий катод и раздельные аноды), последовательно соединены или электрически изолированы.
Стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряжение на обратной ветви ВАХ которого в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока.
Ограничитель напряжения - это полупроводниковый диод, работающий на обратной ветви ВАХ с лавинным пробоем и (или) на прямой ветви характеристики, и предназначен для защиты от перенапряжений электрических цепей интегральных и гибридных схем, радиоэлектронных компонентов и многих других цепей аппаратуры. Ограничители напряжения могут быть несимметричны и симметричны. Приборы первой группы в основном предназначены для защиты цепей постоянного тока, второй - переменного тока.
Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используются зависимость емкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы удобны тем, что, подавая на них постоянное напряжение смещения, можно дистанционно и практически безинерционно менять их емкость и тем самым резонансную частоту контура, в который включен варикап. Варикапы применяют для усиления и генерации СВЧ сигналов, перестройки частоты колебательных контуров или автоподстройки частоты.
Излучающим диодом называют полупроводниковый прибор, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока. По характеристике излучения излучающие диоды можно разделить на две группы: с излучением в видимой части спектра (светодиоды) и инфракрасной – диоды ИК-излучения.
Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд.  Рисунок 2 Схема фотодиода Принцип действия Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области. Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).  Рисунок 3 структурная схема фотодиода 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Ф — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; Rн — нагрузка. Параметры - чувствительность (отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала.) - шумы (помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром - шум фотодиода) Характеристики а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость выходного напряжения от входного тока б) световая характеристика зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности в) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод Применение а) оптоэлектронные интегральные микросхемы б) многоэлементные фотоприемники в) оптроны
p-i-n-фотодиод · В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии. Достоинства: 1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области. 2) высокая чувствительность и быстродействие 3) малое рабочее напряжение Uраб Недостатки: сложность получения высокой чистоты i-области Фотодиод Шоттки Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа. Лавинный фотодиод В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения: Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия: 1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны: 2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега: Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов. Фотодиод с гетероструктурой Фотодиоды на гетеропереходах обладают рядом преимуществ с описанными выше конструкциями p-n–фотодиодов, имеющими общий недостаток: они требуют, чтобы p -n- переход находился на очень малом расстоянии от облучаемой поверхности. В противном случае даже при нанесении антиотражающих (просветляющих) покрытий, уменьшающих потери на отражение излучения, эффективность фотоприемника будет мала. Изготовление p-n- перехода на малом расстоянии вызывает серьезные технологические трудности, требуют тщательного контроля и поддержания толщины поверхностного слоя перехода. Фотодиоды на гетеропереходах в отличие от гомогенных структур построены на полупроводниковых материалах с различной шириной запрещенной зоны, в результате чего получается спектральная характеристика фотоприемника, охватывающая максимумы спектральной чувствительности обоих полупроводников. К достоинствам фотоприемников с гетеропереходами можно отнести главным образом высокую чувствительность, обусловленную эффективным временем жизни носителей, высокое быстродействие (вследствие малого времени рассасывания неравновесных носителей и малого значения барьерной емкости), возможность эффективной работы при малых обратных напряжениях. Емкость гетероперехода несколько больше, чем у p-i-n- перехода, поэтому фотодиод с гетеропереходом требует несколько меньшего сопротивления нагрузки, с тем, чтобы частотная характеристика не ограничивалась постоянной времени заряда емкости. Это ограничение можно преодолеть подбором режима работы схемы. Список литературы
|