Напівпровідниковий діод
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Напівпровідниковий діод

Напівпровідниковий діод, двоелектродний електронний прилад на основі напівпровідникового (ПП) кристала. Поняття «П. д.» об'єднує різні прилади з різними принципами дії, що мають всіляке призначення. Система класифікації П. д. відповідає загальній системі класифікації напівпровідникових приладів . В найбільш поширеному класі електропреобразовательних П. д. розрізняють: випрямні діоди, імпульсні діоди, стабілітрони, діоди СВЧ(надвисокі частоти) (в т.ч. відеодетектори, змішувачі, параметричні, підсилювальні і генераторні, умножітельниє, перемикачі). Серед оптоелектронних П. д. виділяють фотодіоди, светоїзлучающие діоди і ПП квантові генератори.

загрузка...

  Найбільш багаточисельні П. д., дія яких заснована на використанні властивостей електронно-діркового переходу ( р—n -перехода). Якщо до р—n -переходу діода ( мал. 1 ) прикласти напругу в прямому напрямі (т.з. прямий зсув), тобто подати на його р-область позитивний потенціал, то потенційний бар'єр, відповідний переходу, знижується і починається інтенсивна інжекція дірок з р -області в n -область і електронах з n -області в р -область — тече великий прямий струм ( мал. 2 ). Якщо прикласти напругу у зворотному напрямі (зворотний зсув), то потенційний бар'єр підвищується і через р—n- перехід протікає лише дуже малий струм неосновних носіїв заряду (зворотний струм). На мал. 3 приведена еквівалентна схема такого П. д.

  На різанням несиметричній вольтамперной характеристики (ВАХ) заснована робота випрямних (силових) діодів. Для випрямних пристроїв і ін. сильноточних електричних ланцюгів випускаються випрямні П. д., що мають допустимий випрямлений струм I в до 300 а і максимальна допустима зворотна напруга U* обр від 20—30 в до 1—2 кв. П. д. аналогічного вживання для слабкострумових ланцюгів мають I в < 0,1 а і називаються універсальними. При напрузі, U*, що перевищують, o6p , струм різко зростає, і виникає необоротний (тепловий) пробій р—n -перехода, П. д, що приводить до виходу. з буд. З метою підвищення U* обр до декількох десятків кв використовують випрямні стовпи, в яких декілька однакових випрямних П. д. сполучені послідовно і змонтовані загалом пластмасовому корпусі. Інерційність випрямних діодів, обумовлена тим, що час життя інжектірованних дірок (див. Напівпровідники ) складає > 10 -5 —10 -4 сік, обмежує частотну межу їх вживання (зазвичай областю частот 50—2000 гц ) .

  Використання спеціальних технологічних прийомів (головним чином легування германію і кремнію золотом) дозволило понизити час перемикання до 10 -7 10 -10 сік і створити швидкодіючі імпульсні П. д., використовувані, поряд з діодними матрицями, головним чином в слабкострумових сигнальних ланцюгах ЕОМ(електронна обчислювальна машина).

  При невисокій пробивній напрузі зазвичай розвивається не тепловий, а оборотний лавинний пробій р—n -перехода — різке наростання струму при майже незмінній напрузі, називається напругою стабілізації U . На використанні такого пробою заснована робота напівпровідникових стабілітронів . Стабілітрони загального призначення з U c т від 3—5 в до 100—150 в застосовують головним чином в стабілізаторах і обмежувачах постійної і імпульсної напруги; прецизійні стабілітрони, в яких вбудовуванням компенсуючих елементів досягається виключно висока температурна стабільність U (до 1×10 -5 — 5×10 -6 К -1 ), — як джерела еталонної і опорної напруги.

  В передпробійної області зворотний струм діода схильний до дуже значних флуктуацій; це властивість р—n- переходу використовують для створення генераторів шуму. Інерційність розвитку лавинного пробою в р—n -переходе (що характеризується часом 10 -9 —10 -10 сік ) обумовлює зрушення фаз між струмом і напругою в діоді, викликаючи (при відповідній схемі включення його в електричний ланцюг) генерування СВЧ(надвисокі частоти) коливань. Цю властивість успішно використовують в лавинно-пролітних напівпровідникових діодах, що дозволяють здійснювати генератори з частотами до 150 Ггц.

  Для детектування і перетворення електричних сигналів в області СВЧ(надвисокі частоти) використовують змішувачі П. д. і відеодетектори, в більшості яких р—n -переход утворюється під точковим контактом. Це забезпечує мале значення ємкості С в ( мал. 3 ), а специфічне, як і у всіх СВЧ(надвисокі частоти) діодів, конструктивне оформлення забезпечує малі значення паразитних індуктивності L до і ємкостей С до і можливості монтажу діода в хвилеводних системах.

  При подачі на р—n -переход зворотного зсуву, U*, що не перевищує, обр , він поводиться як високодобротний конденсатор, в якого ємкість С в залежить від величини прикладеної напруги. Цю властивість використовують в варікапах, вживаних переважно для електронної перебудови резонансної частоти коливальних контурів, в параметричних напівпровідникових діодах, службовців для посилення СВЧ(надвисокі частоти) коливань, у варакторах і умножітельних діодах, службовців для множення частоти коливань в діапазоні СВЧ(надвисокі частоти). У цих П. д. прагнуть зменшити величину опору r би (основне джерело активних втрат енергії) і підсилити залежність ємкості С в від напруги U o6p .

  В р—n -перехода на основі дуже низькоомного (виродженого) напівпровідника область, збіднена носіями заряду, виявляється дуже тонкою (~ 10 -2 мкм ) , і для неї стає істотним тунельний механізм переходу електронів і дірок через потенційний бар'єр (див. Тунельний ефект ) . На цій властивості заснована робота тунельного діода, вживаного в надшвидкодіючих імпульсних пристроях (наприклад, мультивібраторах, тригерах ) , в підсилювачах і генераторах коливань СВЧ(надвисокі частоти), а також оберненого діода, вживаного як детектор слабких сигналів і змішувача СВЧ(надвисокі частоти) коливань. Їх ВАХ ( мал. 4 ) істотно відрізняються від ВАХ інших П. д. як наявністю ділянки з «негативною провідністю», яскраво вираженою в тунельного діода, так і високою провідністю при нульовій напрузі.

  До П. д. відносять також ПП прилади з двома виводами, що мають некеровану чотиришарову р—n—р—n -структуру і називають діністорамі (див. Тиристор ), а також прилади, що використовують об'ємний ефект доменної нестійкості в ПП структурах без р—n -перехода, — Ганна діоди . В П. д. використовують і ін. різновиду ПП структур: контакт метал — напівпровідник (див. Шотки ефект, Шотки діод ) і р—i—n -структуру, характеристики яких багато в чому схожі з характеристиками р—n -перехода. Властивість р—i—n -структури змінювати свої електричні характеристики під дією випромінювання використовують, зокрема, в фотодіодах і детекторах ядерних випромінювань, влаштованих т. о., що фотони або ядерні частки можуть поглинатися в активної області кристала, що безпосередньо примикає до р—n -переходу, і змінювати величину зворотного струму останнього. Ефект випромінювальною рекомбінації електронів і дірок, що виявляється в свіченні деяких р—n -переходов при протіканні через них прямого струму, використовується в светоїзлучающих діодах . До П. д. можуть бути віднесені також і напівпровідникові лазери .

  Більшість П. д. виготовляють, використовуючи планарно-епітаксіальну технологію (див. Планарная технологія ) , яка дозволяє одночасно отримувати до декількох тисяч П. д. У якості напівпровідникових матеріалів для П. д. застосовують головним чином Si, а також Ge, Gaas, GAP і ін., як контактні матеріали — Au, Al, Sn, Ni, Cu. Для захисту кристала П. д. його зазвичай поміщають в металло-ськляній, металло-керамічній, скляний або пластмасовий корпус ( мал. 5 ).

  В СРСР для позначення П. д. застосовують шестизначний шифр, перша буква якого характеризує використовуваний напівпровідник, друга — клас діода, цифри визначають порядковий номер типа, а остання буква — його групу (наприклад, ГД402А — германієвий універсальний діод; КС196Б — кремнієвий стабілітрон).

  Від своїх електровакуумних аналогів, наприклад кенотрона, газорозрядного стабілітрона індикатора газорозрядного, П. д. відрізняються значно великою надійністю і довговічністю, меншими габаритами, кращими технічними характеристиками, меншою вартістю і тому витісняють їх в більшості сфер застосування.

  З розвитком ПП електроніки здійснився перехід до виробництва поряд з дискретними П. д. діодних структур в ПП монолітних інтегральних схемах і функціональних пристроях, де П. д. неотделім від всієї конструкції пристрою.

  Про історичні відомості див.(дивися) в ст. Напівпровідникова електроніка .

 

  Літ.: Напівпровідникові діоди. Параметри. Методи вимірів, М. 1968; Федотов Я. А., Основи фізики напівпровідникових приладів, М., 1970; Пасинків Ст Ст, Чиркин Л. До., Шинків А. Д., Напівпровідникові прилади, М., 1973; Зі С. М., Фізика напівпровідникових приладів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1973.

  Ю. Р. Носів.

Мал. 4. Вольтамперниє характеристики тунельного (1) і оберненого (2) діодів: U — напруга на діоді; I — струм через діод.

Мал. 2. Типова вольтамперная характеристика напівпровідникового діода з р — n-переходом: U — напруга на діоді; I — струм через діод; U* про бр і I* про бр — максимальна допустима зворотна напруга і відповідний зворотний струм; U з т — напруга стабілізації.

Мал. 3. Малосигнальна (для низьких рівнів сигналу) еквівалентна схема напівпровідникового діода з р — n-переходом: r p -n — нелінійний опір р — n-переходу; r би — опір об'єму напівпровідника (бази діода); r в т — опір поверхневих витоків; С Би — бар'єрна ємкість р — n-переходу; С діф — дифузійна ємкість, обумовлена накопиченням рухливих зарядів в базі при прямій напрузі; С до — ємкість корпусу; L до — індуктивність токоподводов; А і Б — виводи. Суцільною лінією показано підключення елементів, що відносяться до власне р, — n-переходу.

Мал. 5. Напівпровідникові діоди (зовнішній вигляд): 1 — випрямний діод; 2 — фотодіод; 3 — СВЧ(надвисокі частоти) діод; 4 і 5 — діодні матриці; 6 — імпульсний діод. Корпуси діодів: 1 і 2 — металло-ськляні; 3 і 4 — металло-керамічні; 5 — пластмасовий; 6 — скляний.

Мал. 1. Структурна схема напівпровідникового діода з р — n-переходом: 1 — кристал; 2 — виводи (токоподводи); 3 — електроди (омічні контакти); 4 — плоскість р — n-переходу.