Лекция 7 Виды полупроводниковых диодов

1
ЛЕКЦИЯ 7. ВИДЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Диодом называют полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим переходом и
двумя электрическими выводами (контактами).
В качестве выпрямляющего электрического перехода (Пвып) в полупроводниковых
диодах может быть использован p-n - переход (анизотипный гомо- или гетеропереход) или
выпрямляющий переход металл – полупроводник (переход Шоттки). В диоде с p-n переходом или с гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два невыпрямляющих (омических) перехода металл – полупролводник (Пом), через которые p- и nобласти диода соединены с электрическими выводами М (рис.1,а). В диоде с переходом
Шоттки имется один омический переход (рис.1,б).

+
По
По
Пвып
м

+
По
Пвып
м
p
n+
м
n
М
М
М
М
а)
б)
Рис. 1. Структура и графическое изображение полупроводниковых диодов с: а) p-n
переходом; б) выпрямляющим контактом металл – полупроводник. Пвып – выпрямляющие электрические переходы; Пом – невыпрямляющие (омические) переходы
Обычно p-n - переход создают на основе монокристалла кремния или германия (Si
и Ge – элементы IV группы), внедряя акцепторные (элементы III группы: индий, галлий,
алюминий, бор) и донорные (элементы V группы: сурьма, фосфор, мышьяк) примеси. Если концентрации акцепторных Na и донорных Nd примесей равны, то p-n - переход называется симметричным. Для изготовления полупроводниковых диодов, как правило, используют несимметричные p-n - переходы. В них имеется низкоомная область эмиттера с
большой концентрацией атомов примеси N = 10171019 см-3 и высокоомная область базы с
низкой концентрацией атомов примеси N = 10141015 см-3. На рисунках эмиттерные области часто обозначают значками: p+ _ эмиттер дырок и n+ – эмиттер электронов. Так, на рис.
1, а представлен несимметричный p-n - переход с эмиттером электронов. Ток через
несимметричный p-n - переход создается одним типом носителей. Вклад второго типа носителей в общий ток является несущественным.
Концентрация примесей на границе полупроводников p и n - типов может изменяться скачкообразно или плавно, соответственно такие типы p-n переходов будут называться резкими и плавными.
В зависимости от соотношения линейных размеров p-n - перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для
диода является наименьшая из двух величин: средняя длина диффузии неосновных носителей в базе или толщина базы. У плоскостного диода линейные размеры, значительно
больше, а у точечного меньше характеристической длины.
2
2. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПЛОСКОСТНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ
ДИОДЫ
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в
постоянный. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница частот – так называемая предельная частота выпрямительных диодов, как правило, не превышает 20 кГц.
Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры:
 максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.max – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без нарушения его работоспособности (обычно Uобр.max = 0,5 – 0,8Uпроб, где Uпроб – напряжение пробоя);
 максимально допустимый постоянный прямой ток Iпр.max;
 постоянное прямое напряжение Uпр при заданном прямом токе Iпр = Iпр.max;
 максимальный обратный ток Iобр.max – обратный ток диода при приложении к нему
напряжения Uобр.max;
 частота без снижения режимов – верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.
По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы:
диоды малой мощности (0,3 А), диоды средней мощности (0,3 А  10 А) и мощные (силовые) диоды (10 А).
Иногда в паспорте диода указывают средний выпрямленный ток Iпр.ср, средний обратный ток Iобр.ср, а также импульсный прямой ток Iпр.и или его максимально допустимое
значение.
В состав параметров диодов входят диапазон температуры окружающей среды (для
кремниевых диодов обычно от –60 до +125 ºС) и максимальная температура корпуса.
Необходимую площадь p-n-перехода рассчитывают исходя из величины допустимого прямого тока диода, учитывая максимальную величину плотности прямого тока J
(табл.1).
Табл. 1.
Основные параметры выпрямительных диодов изготовленных из различных материалов
Ge
Si
GaAs
2
J, А/см
100
200
100
Uпр, В
~0.3
~0.7
1÷3
Uобр.max, В
до сотен В
до единиц кВ
до сотен В
Iобр.max, мА
~0.2
~0.01
~0.01
t°,С
до +75
–60÷
до +250
Подавляющее большинство кремниевых выпрямительных диодов имеет плоскостную р+–n–n+ структуру (рис.2, а). Они изготавливаются на основе низколегированного
(высокоомного) кристалла кремния с электропроводностью n-типа. Пробой плоскостных
диодов обычно происходит по поверхности, на которой много дефектов и примесей. В
высоковольтных выпрямительных диодах для увеличения Uобр.max производят неравномерное легирование эмиттера и снимают фаску (рис.2, б). При этом толщина p-n-перехода
вблизи поверхности увеличивается, а концентрация примесей и дефектов на поверхности
уменьшается, что увеличивает напряжение пробоя. Для работы при повышенных температурах используют выпрямительные диоды на основе GaAs. При работе с напряжениями
питания ~1.5 В используют Ge выпрямительные диоды с малым прямым падением напряжения.
Существуют высокочастотные выпрямительные диоды, работающие на частотах
порядка единиц мегагерц.
3
металлический электрод
эмиттер p+ - типа
низколегированный слой
базы n+ - типа
высоколегированный
слой базы n+ - типа
металлический электрод
а)
б)
Рис. 2. Структура плоскостного выпрямляющего диода: а) без фаски б) с фаской
2. ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ
Импульсный полупроводниковый диод имеет малую длительность переходных
процессов и предназначен для применения в импульсных режимах работы. Основные
назначения импульсных диодов – работа в качестве коммутирующего элемента или для
детектирования высокочастотных сигналов. Условия работы импульсных диодов обычно
соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам.
Поэтому свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами. При переключении диода с прямого напряжения на обратное в начальный момент
времени через диод идет большой обратный ток, ограниченный в основном сопротивлением базы рис.3,а. С течением времени накопленные в базе неосновные носители заряда
I
U
Iпр
Uпр
0
0
U
I
Iпр
Iпр
tвос
Iнас
0
0
0.1Iобрmax
Iобрmax
t
t
Uобр
t
а)
t
tуст
б)
Рис.3. Временные зависимости токов и напряжений импульсного диода при работе в схемах с генератором: а) напряжений, б) токов
4
рекомбинируют или уходят из базы через p-n-переход, после чего обратный ток уменьшается до своего стационарного значения.
Одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления
обратного сопротивления tвос (рис.3). По этому параметру импульсные диоды разделены
на шесть групп: более 500 нс, 150÷500, 30÷150, 5÷30, 1÷5 и менее 1 нс.
При пропускании через диод импульса тока (рис.3, б) в прямом направлении
наблюдается выброс напряжения. Это вызвано повышенным падением напряжения, пока
не окончится процесс накопления неосновных носителей в базе и не уменьшится сопротивление базы. Это происходит за время установления прямого напряжения диода tуст.
Значения tвос и tуст зависят от структуры диода, времени жизни неосновных носителей в базе, величины накопленного в базе заряда и величины обратного напряжения.
Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода
рис.4. В нем p-n-переход образуется путем вплавления иголки индия в кристалл Si n-типа.
электрод
эмиттер р+-типа
a
R
dR
b
база Ge n-типа
электрод
Рис. 4. Структура точечного диода
Полученный p-n-переход имеет полусферическую форму с радиусом а.
Время переходного процесса определяется временем перезаряда емкости p-nперехода Спер=Сбар+Сдиф через сопротивление базы rб
Τ = Спер∙rб.
Барьерная емкость точечного p-n-перехода Сбар ~ а2 мала в связи с малой площадью
перехода. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, которое
определяется сопротивлением растекания. Для его расчета определим сопротивление полусферического слоя полупроводника толщиной R на расстоянии dR от центра сферы
dR
dR  
.
2R 2
Если считать удельное сопротивление полупроводника ρ постоянным, то полное
сопротивление кристалла полупроводника толщиной b под точечным p-n-переходом
rб
 b dR   1 1 
rб   dr 

  .
2 a R 2 2  a b 
0
В точечных диодах а=5÷20 мкм, а b~200 мкм, поэтому

rб 
.
2a
5
Современные импульсные диоды производятся по планарной технологии с использованием кремниевых или арсенид-галлиевых кристаллов. Для ускорения переходных
процессов в базе диода создают встроенное электрическое поле за счет неравномерного
легирования и вводят примеси меди или золота, уменьшающие время жизни неосновных
носителей. Для уменьшения барьерной емкости уменьшают размеры импульсного диода.
3. ДИОДЫ С РЕЗКИМ ВОССАНОВЛЕНИЕМ ОБРАТНОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ
В диоде с резким восстановлением обратного сопротивления имеет место эффект
накопления неосновных носителей заряда в базе для создания кратковременного импульса
обратного тока по форме приближенному к прямоугольному импульсу (рис.5.). В переходном процесс можно выделить два времени: t1 – время высокой обратной проводимости
и t2 – время восстановления высокого обратного сопротивления.
Длительность t1 зависит от величины заряда неосновных носителей, накопленного
U
Uпр
0
t
Uобр
I
Iпр
t1
t2
Iнас
0
0.1Iобрmax
t
Iобрmax
Рис.5. Временные зависимости токов и напряжений диода с резким
восстановлением заряда
в базе, т.е. от величины прямого тока Iпр и величины обратного тока Iобр.max. Величина
Iобр.max зависит от величины обратного напряжения Uобр и от сопротивления базы. В реальных условиях амплитуда обратного тока определяется ЭДС генератора и суммой сопротивлений базы диода и внешней цепи.
Длительность t2 определяется временем уменьшения обратного тока от Iобр.max до
0.1Iобр.max.
В диодах с накоплением заряда создают большой градиент концентрации примесей
в базе (рис.6, в), что увеличивает напряженность встроенного электрического поля Евстр и
способствует концентрации электронов в низколегированной области вблизи границы p-nперехода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базе и уменьшения t2
производят легирование базы примесями меди или золота. Для уменьшения сопро-
6
база р+-типа
U
база р-типа
р-n-переход
эмиттер n+-типа
а)
0
Евср
Wc
Eк
область с повышенной концентрацией
электронов
WF
Wc
б)
Nd
в)
0
x
Na
Рис.6. Диод с резким восстановлением обратного сопротивления: а) структура,
б) зонная диаграмма, в) распределение концентрации примесей
тивления базу делают двухслойной. Со стороны электрода создается высоколегированный
слой, а со стороны p-n-перехода – тонкий низколегированный слой. Кроме того, наличие
высоколегированного слоя дополнительно ограничивает область накопления неосновных
носителей в базе тонкой областью низколегированного слоя. Для уменьшения барьерной
емкости и индуктивности диода уменьшают его размеры. Все это вместе существенно
7
ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей в базе и позволяет формировать
прямоугольные импульсы с нано и пикосекундной длительностью.
Диоды с резким восстановлением обратного сопротивления используются для создания генераторов коротких импульсов, как правило, в СВЧ диапазоне и умножителей
частоты.
4. ДИОДЫ ШОТТКИ
Структура диодов Шоттки показаны на рис.7. В контактах металл-полупроводник
ток создается за счет движения основных носителей заряда при любой полярности источника питания. Концентрация электронов в металле на несколько порядков выше, чем в
низколегированном полупроводнике n – типа, поэтому уровень инжекции электронов всегда мал, нет накопления избыточного заряда и отсутствует диффузионная емкость. Диод
Шоттки обладает хорошими частотными свойствами. Сила тока на прямой ветви ВАХ диода Шоттки экспонециально зависит от приложенного напряжения. На диоде Шоттки
прямое падение напряжения составляет ~0.3В, что существенно меньше, чем в кремниевых и арсенид-галлиевых диодах. Для улучшения частотных свойств и повышения обратных напряжений базу диода делают двухслойной. Наличие высоколегированного слоя
уменьшает сопротивление базы, а низколегированный слой увеличивает толщину перехода, что с одной стороны уменьшает барьерную емкость, а с другой стороны увеличивает
напряжение пробоя. За счет хорошего теплоотвода увеличивается плотность прямого тока
J. Таким образом, на основе диода Шоттки могут быть созданы выпрямительные, импульсные и СВЧ диоды.
металлический электрод
диэлектрик SiO2
низколегированный слой полупроводника n - типа
высоколегированный
слой полупроводника n+ - типа
металлический электрод
Рис. 7. Структура диода Шоттки
5. p-i-n-ДИОДЫ
На рис.8 а, б, в и г представлены структура, зонная диаграмма в состоянии термодинамического равновесия, распределение концентрации примесей и напряженности
электрического поля в p-i-n-диоде. В такой структуре полупроводники p и n-типов разделены областью собственного полупроводника. Это существенно уменьшает барьерную
емкость диода, которая слабо зависит от приложенного напряжения. Распределение
напряженности электрического поля Е имеет трапециевидную форму (рис. 8, г). При одинаковой легированности областей p и n и, соответственно одинаковой контактной разности потенциалов φ0, напряженность электрического поля в p-n-переходе Ep-n=φ0/(dp+dn), а в
p-i-n-структуре по абсолютной величине существенно меньше − Ep-i-n=φ0/(dp+di+dn). По-
8
этому напряжение пробоя p-i-n-структуры существенно превышает напряжение пробоя pn-перехода.
полупроводник р+-типа
полупроводник i-типа
полупроводник n+-типа
U
а)
0
Е
Wc
ΔW
WF
Wc
б)
Nd
в)
0
x
г)
Na
x
E
Рис.8. p-i-n-диод: а) структура, б) зонная диаграмма, в) распределение концентрации примесей, г) распределение напряженности электрического поля Е
На основе p-i-n-структур с большой площадью перехода изготавливают высоковольтные выпрямительные диоды, рассчитанные на работу с большими прямыми токами.
p-i-n-структуры с малой площадью перехода имеют малую барьерную емкость и используются в качестве переключающих диодов СВЧ диапазона. p-i-n-диоды имеют повышенную по сравнению с p-n-диодами максимальную рассеиваемую мощность. Например, для
переключающих бескорпусных СВЧ диодов 2Ф523А-4 (диаметр 2мм, длинна 3.6мм) рассеиваемая в непрерывном режиме мощность составляет до 20Вт. При параллельном
включении в СВЧ тракт, переключающий p-i-n-диод работает режиме отражения СВЧ из-
9
лучения, при этом поглощается незначительная часть падающей на него СВЧ мощности,
что позволяет относительно маломощному прибору управлять десятками и сотнями киловатт импульсной СВЧ мощности.
Недостатком кремниевых p-i-n-диодов является инерционность процесса рассасывания носителей заряда из i-слоя при переключении диода, т.к. скорость движения носителей заряда ограничена. Применение арсенид-галлиевых p-i-n-диодов увеличивает скорость переключения, однако уровень рассеиваемой на диоде мощности значительно ниже,
чем у кремниевых p-i-n-диодов.
6. СТАБИЛИТРОНЫ
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном включении слабо зависит от тока в заданном
диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.
Стабилитроны работают в режиме электрического пробоя. Под действием сильного
поля в области р-n - перехода обратный ток резко возрастаI, мА
–Uст
U
ет при малых изменениях приложенного напряжения. Эту
особенность ВАХ кремниевого диода в области пробоя
–Iст min (рис. 9) используют для стабилизации напряжения, а также
фиксации уровней напряжений в схемах, отсюда другое
название кремниевых стабилитронов – опорные диоды.
–Iст
Напряжение пробоя, являющееся напряжением стабилизации, может изменяться в широких пределах – от 3,5 до
400 В и выше в зависимости от удельного сопротивления
кремния. На рис. 9 приведена рабочая часть ВАХ стабилитрона с указанием минимального и максимального тока ста–Iст max билизации.
Основные параметры стабилитронов; напряжение стабилизации
Uст, динамическое сопротивление rдин= dUст/dIст,
Рис. 9. Рабочая обпри номинальном токе стабилизации, температурный коласть ВАХ стабиэффициент напряжения стабилизации ст = (dUст/dТ) при
литрона
номинальном токе стабилизации Iст = const.
Так как реальная ВАХ в области пробоя имеет некоторый наклон, то напряжение
стабилизации зависит от тока стабилизации Iст. Максимальный ток стабилизации Iст.мах
ограничен допустимой мощностью рассеяния Рмах и возможностью перехода электрического пробоя в тепловой, который является необратимым. Минимальный ток стабилизации Iст.min соответствует началу устойчивост
го электрического пробоя. При меньших токах в диоде возникают
значительные шумы, происхождение которых связано с механизмом лавинного пробоя (шумы в предпробойной области используются в специальных приборах – полупроводниковых генерато8 В
Uст
рах шума). Динамическое сопротивление rдин характеризует качество стабилизации и определяется углом наклона ВАХ в области
Рис. 10. Зависимость пробоя (оно возрастает с ростом напряжения стабилизации). Важст от напряжения
ным параметром стабилитрона является ст. Зависимость ст от
стабилизации
напряжения стабилизации Uст приведена на рис.10. Как видно из
рисунка, для высоковольтных стабилитронов ст > 0, а для низковольтных ст < 0. Это
объясняется зависимостью механизма пробоя от степени легирования полупроводника.
Изменение знака ТКН происходит при концентрации примеси в кремнии около 5·1017см-3.
При Uст ≈ 8 В коэффициент ст минимальный.
Один из способов уменьшения Uст заключается в последовательном соединении переходов с равными по значению, но противоположными по знаку температурными коэффициентами напряжения стабилизации. Если переход стабилитрона имеет значение ст, рав-
10
ное 6 мВ/К, то при сборке последовательно с ним подсоединяют три р-n - перехода, которые будут работать в прямом направлении, так как для прямого направления температурный коэффициент напряжения диода ТКН= −2 мВ/К. Такие термокомпенсированные стабилитроны с ст = 0,5∙мВ/К и менее применяются в источниках эталонного напряжения.
Конструкция стабилитронов аналогична конструкции выпрямительных диодов,
выбор типа корпуса связан с мощностью рассеяния.
Разновидностью кремниевых стабилитронов являются стабисторы. В этих диодах для
стабилизации низких напряжений (до 1 В) используется прямая ветвь ВАХ р-n - перехода.
Для изготовления стабисторов используется сильнолегированный кремний, что позволяет
получать меньшие значения сопротивления базы диода. Температурный коэффициент
стабилизации стабисторов отрицательный и примерно равен –2 мВ/К.
7. СТАБИСТОРЫ
Полупроводниковый стабистор работает на прямой ветви ВАХ (рис.11). Основная
I
ΔI
−Uпр
0
ΔU
U
Рис.11. ВАХ стабистора
часть стабисторов это кремниевые диоды р-n-переходы которых сформированы в высоколегированном низкоомном кремнии. Это сделано для получения меньшего сопротивления
U
базы и соответственно меньшего дифференциального сопротивления rдиф 
(при пряI
мом смещении). Из-за большой концентрации донорных Nd и акцепторных Na примесей
толщина р-n-перехода оказывается малой d 
20 0  U   1
1 

 и напряжение

q
 Nd Na 
пробоя −Uпр на обратной ветви ВАХ оказывается тоже малым и, по абсолютному значению, не превышает нескольких вольт.
Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации, определяемое прямым падением напряжения на
диоде, что для кремниевых стабисторов составляет порядка 0.7В.
8. ШУМОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковый шумовой диод работает в начальном участке лавинного пробоя
(рис.12), когда процесс ударной ионизации оказывается неустойчивым. В качестве генера-
11
I
−Uпит
−Uпр
0
−Iпроб.min
рабочая
точка
U
−Iпроб.max.
−Uпит/Rн
нагрузочная прямая при напряжении питания −Uпит и сопротивлении нагрузки Rн
Рис.12. ВАХ шумового диода
тора шума можно использовать диод в диапазоне обратных токов от Iпроб.min до Iпроб.max. Результатом случайной генерации новых носителей заряда при ударной ионизации являются
шумы с широким спектром частот.
Основными параметрами шумового диода являются: спектральная плотность шума
Uш
при заданном токе пробоя Iпроб и граничная частота равномерности спектра fгр на
S
f
которой мощность шумового сигнала уменьшается в два раза по сравнению с мощностью
шумового сигнала на более низких частотах.
8. ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ
В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовления туннельных диодов используют вырожденные полупроводники с высокой концентрацией примесей N=1018÷1020 см−3. Вследствие чего толщина p-n-перехода оказывается малой порядка
10−2мкм. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда.
ВАХ туннельного диода приведена на рис.13. На рисунке отмечены точки, для которых построены зонные диаграммы. Для упрощения рисунков на зонных диаграммах не
изображены источники питания.
В диоде без внешнего смещения (точка а) происходит туннелирование электронов из
n-области в p-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю.
При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде (точка б) энергия электронов в n-области увеличивается, и уровни энергии смещаются вверх. При этом происходит
преимущественное туннелирование электронов из n-области в p- область, кроме того, возникает небольшой диффузионный ток электронов через понизившийся потенциальный
барьер.
При прямом напряжении на диоде Uпика (точка в), когда занятые электронами уровни
энергии в n-области окажутся на одной высоте со свободными энергетическими уровнями
в p-область туннельный ток Iпика станет максимальным.
При дальнейшем увеличении прямого напряжения (точка г) туннельный ток будет
уменьшаться, ток как из-за смещения уровней энергии уменьшится количество электронов способных туннелировать из n-области в p- область.
Туннельный ток через диод окажется равным нулю при напряжении Uвпадины (точка д),
когда для свободных электронов в n-области в p- области не окажется свободных энерге-
12
тических уровней. Однако при этом через диод будет проходить прямой ток Iвпадины, связанный с диффузией электронов через понизившийся потенциальный барьер.
Далее при увеличении прямого напряжения (точка е) прямой ток будет нарастать, как
в обычных выпрямительных диодах.
При обратном напряжении на туннельном диоде (точка ж) снова возникают условия
для туннелирования электронов из p-области в n-область. Возникающий при этом обратный ток будет расти по абсолютному значению с ростом по абсолютному значению обратного напряжения. Можно считать, что у туннельного диода происходит туннельный
пробой при малых (по абсолютной величине) обратных напряжениях.
Таким образом, в интервале напряжений от Uпика до Uвпадины, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Как и всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением туннельный диод может быть использован
для генерации и усиления электромагнитных сигналов.
Основные параметры туннельных диодов:
1. Пиковый ток Iпика – ток в точке максимума ВАХ, при котором производная
dI
0.
dU
Этот ток может составлять от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер.
2. Ток впадины Iвпадины – ток в точке минимума ВАХ при котором
dI
0.
dU
3. Отношение токов туннельного диода Iпика/ Iвпадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия Iпика/ Iвпадины ≥10. для германиевых диодов Iпика/ Iвпадины =3÷6.
4. Напряжение пика Uпика – прямое напряжение соответствующее пиковому току. Для
туннельных диодов из арсенида галлия Uпика =100÷150мВ, для германиевых диодов Uпика =40÷60мВ.
5. Напряжение впадины Uвпадины – прямое напряжение соответствующее току впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия Uвпадины =400÷500мВ. для германиевых
диодов Uвпадины =250÷350мВ.
6. Напряжение раствора Uрр – прямое напряжение большее напряжения впадины, при
котором ток равен пиковому току.
7. Удельная емкость туннельного диода Сд/Iпика – отношение емкости туннельного диода, измеренной при Iпика к пиковому току.
13
p+
+
p
n+
+
n
Wc
Iтун=0
I n тун
Ip диф
Ip диф
в)
In диф
Wv
WF
I n тун
p+
n
Wc
Wv
WF
Wv
WF
+
p
In диф
Wc
In диф
Wc
+
Ip диф
г)
д)
n+
Iдиф
I
Iпика
Wv
WF
I n тун
Iвпадины
Ip диф
+
p
б)
0
n
+
Uпика
p+
Uвпадины
Uрр
U
p+
n+
n+
Iдиф
Wc
Wc
Wc
Ip тун
Wv
WF
Wv
WF
In тун
а)
ж)
Wv
WF
е)
Ip диф
Рис.13. ВАХ и зонные диаграммы туннельного диода при: а) в состоянии термодинамического равновесия, б) небольшом прямом напряжении, в) пиковом напряжении, г) напряжении соответствующем участку с отрицательным дифференциальным сопротивлением, д)
напряжении впадины, е) напряжении раствора, вызывающем значительный диффузионный
ток, ж) обратном напряжении
14
9. ОБРАЩЕННЫЕ ДИОДЫ
При концентрациях примесей в p- и n-областях диода меньших, чем в туннельных
диодах, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах, можно получить диод, зонная диаграмма которого приведена на рис.14, а. Уровень Ферми при такой средней концентрации примесей может совпадать с верхом валентной зоны в p- области и с дном зоны
p+
n+
I
Wc
Wv
WF
0
а)
U
б)
Рис.14. Обращенный диод:
а) зонная диаграмма в состоянии
термодинамического равновесия,
б) ВАХ)
проводимости в n-области. При этом в состоянии термодинамического равновесия верх
валентной зоны в p- области и дно зоны проводимости в n-области находятся на одном
уровне.
ВАХ обращенного диода приведена на рис.14, б. Обратная ветвь обращенного диода аналогична обратной ветви туннельного диода. Прямая ветвь ВАХ аналогична прямой
ветви ВАХ туннельного диода, но пик тока не ней практически отсутствует. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.
Обращенные диоды могут работать только на очень малых сигналах. Они обладают
хорошими частотными свойствами, т.к. туннелирование – процесс малоинерционный, а
эффекта накопления заряда при малых напряжениях практически нет. Поэтому обращенные диоды можно использовать на СВЧ.
10. ВАРИКАПЫ
Варикап – это полупроводниковый диод, предназначен для применения в качестве
элемента с электрически управляемой емкостью.
Известно, что диод обладает барьерной, диффузионной и паразитной емкостями. В
качестве варикапов используют только диоды при обратном смещении, когда проявляется
только барьерная емкость. Диффузионная емкость проявляется при прямом смещении диода, когда проводимость его велика и велики потери мощности из-за относительно больших активных токов через диод. Паразитная емкость (емкость корпуса, держателя и выводов) обычно невелика, порядка нескольких пикофарад, она постоянна и не зависит от режима работы.
15
Зависимость барьерной емкости от напряжения смещения различна для варикапов,
изготовленных методом диффузии или методом вплавления примесей. В сплавных варикапах с резким p-n - переходом зависимость барьерной емкости от напряжения смещения
получается более резкая. Связано это с тем, что глубина проникновения электрического
поля в материал зависит от удельного сопротивления этого материала. В сплавном варикапе слои базы, прилегающие к переходу, легированы равномерно, а в диффузионном –
при удалении от перехода концентрация нескомпенсированных примесей увеличивается,
т.е. уменьшается удельное сопротивление. Поэтому для получения еще более резкой зависимости емкости варикапа от напряжения смещения необходимо создавать в базе варикапа сверхрезкое распределение нескомпенсированных примесей (рис.15).
База варикапа делается двухслойной, как показано на рис. 15 и 16. Тонкий слой базы,
d
Nd-Na
р+
n
n+
0
x
p+
n
n+
Рис.15. Распределение концентрации
нескомпенсированных примесей в
структуре варикапа с резкой зависимостью емкости от напряжения
Рис.16. Структура варикапа с
малым сопротивлением базы
прилегающий к p-n - переходу, должен быть высокоомным. При этом напряжение пробоя
Uпр по абсолютному значению будет большим и на варикап можно подавать большие обратные напряжения Uобр =(0.7÷0.8)Uпр. Вторая часть базы – подложка – должна быть низкоомной для создания хорошего контакта с металлическим электродом вывода базы.
Основные параметры варикапа
1. Емкость варикапа Св – емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении. Для различных варикапов емкость бывает от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад.
2. Коэффициент перекрытия по емкости Кс – отношение емкостей варикапа при двух
заданных значениях обратных напряжений. Значение этого параметра составляет обычно
несколько единиц.
3. Добротность варикапа Qв − отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Добротность − это величина, обратная тангенсу угла
диэлектрических потерь. Добротность варикапов измеряют обычно при тех же напряжениях смещения, что и емкость. Значение добротности – от нескольких десятков до нескольких сотен.