Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал в г.Прокопьевске
Курсовая работа
ДИСЦИПЛИНА ВВЕДЕНИЕВ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
Тема: Расчетизмерительных преобразователей. Полупроводниковый диод
Выполнил:студент группы И-608
Кузнецов В.А.
Проверил: д.т.н.профессор
Масалов Е.В.
Прокопьевск 2009г
Содержание
Введение
1. Назначение и область применения
2. Классификация и условные обозначения полупроводниковыхдиодов
3. Общий принцип действия
4. Конструкция полупроводниковых диодов
5. Вольтамперная характеристика и основные параметрыполупроводниковых диодов
6. Выпрямительные диоды
7. Стабилитроны, варикапы, светодиоды и фотодиоды
8. Импульсные, высокочастотные (ВЧ) исверхвысокочастотные (СВЧ) диоды
9. Диод Есаки (туннельный диод) и его модификации
10. Эффекты полупроводника
11. Переход Шоттки
12. Изготовление
13. Достоинства и недостатки
14. Перспективы развития
Заключение
Список литературы
Введение
Диодами называютдвухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие одностороннейпроводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимостьобуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе дваслоя, один из которых обладает дырочной (p), а другой – электронной (n)электропроводностью.
Полупроводниковый диодпредставляет собой прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочнымпереходом.
1.Назначение и область применения
Назначение и применениеполупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно и зависит отвида конкретного диода. Основные виды диодов:
1) Выпрямительные диоды– п/п диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Основнойхарактеристикой такого диода является коэффициент выпрямления равный отношениюпрямого и обратного токов при одном и том же напряжении. Чем выше коэффициентвыпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.
2) Высокочастотныедиоды (СВЧ-диоды) – эти диоды предназначены для работы в устройствах высокой исверхвысокой частоты. Они используются для модуляции и детектированиясверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц. В качествевысокочастотных обычно применяют точечные диоды, емкость электронно-дырочногоперехода в которых составляет сотые и десятые доли пикофарад.
3) Варикапы – этодиоды, работа которых основана на изменении емкости электронно-дырочногоперехода в зависимости прикладываемого обратного напряжения. Эти диодыприменяются в качестве конденсаторов с управляемой емкостью.
4) Стабилитроны – этодиоды, используемые для стабилизации напряжения. В этих диодах используетсяналичие у диода критического обратного напряжения, при котором наступаетэлектрический пробой.
5) Туннельные диоды — при больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельныйэффект p-n-перехода. При этом в ВАХ диода появляется участок с отрицательнымсопротивлением, что позволяет использовать его в схемах генерации и усиленияэлектрических колебаний.
6) Импульсные диоды –это диоды, предназначенные для работы в импульсных схемах. В таких диодахперераспределение носителей зарядов в p-n-переходах при смене полярностинапряжения происходит в десятые доли наносекунды. Чем меньше время переходныхпроцессов, тем меньше искажается форма импульсов. Для ускорения переходныхпроцессов уменьшают до возможного предела межэлектродную емкость, а такжелегируют область p-n-перехода небольшой присадкой золота.
2.Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов
Классификация диодовпроизводится по следующим признакам:
1) Поконструкции:
— плоскостные диоды;
— точечные диоды;
— микросплавные диоды.
2) Помощности:
— маломощные;
— средней мощности;
— мощные.
3) Почастоте:
— низкочастотные;
— высокочастотные;
— СВЧ.
4) Пофункциональному назначению:
— выпрямительные диоды;
— импульсные диоды;
— стабилитроны;
— варикапы;
— светодиоды;
— тоннельные диоды
и так далее.
Условное обозначениедиодов подразделяется на два вида:
— маркировка диодов;
— условное графическоеобозначение (УГО) – обозначение на принципиальных электрических схемах.
По старому ГОСТу вседиоды обозначались буквой Д и цифрой, которая указывала на электрическиепараметры, находящиеся в справочнике.
Новый ГОСТ намаркировку диодов состоит из 4 обозначений:
/>
I – показываетматериал полупроводника:
Г (1) – германий; К (2)– кремний; А (3) – арсенид галлия; И (4) – соединения индия.
II – типполупроводникового диода:
Д – выпрямительные, ВЧи импульсные диоды;
А – диоды СВЧ;
C – стабилитроны;
В – варикапы;
И – туннельные диоды;
Ф – фотодиоды;
Л – светодиоды;
Ц – выпрямительныестолбы и блоки.
III – трицифры – группа диодов по своим электрическим параметрам (приведены в таблице1).
IV – модификациядиодов в данной (третьей) группе.
/>
а)выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Гана; б) стабилитроны;в) варикапы; г) тоннельные диоды; д) диоды Шоттки; е) светодиоды; ж) фотодиоды;з) выпрямительные блоки
Рисунок 1 – Условноеграфическое обозначение
Таблица 1. Кодоваямаркировка полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ 10862-721-й элемент Исходный материал 2-й элемент Подкласс прибора 3-й элемент Группа внутри подкласса Г или 1 Германий Д Выпрямительные диоды 101-399 Диоды выпрямительные малой мощности (Iпр.ср.
301-399 Импульсные 401-499 Диоды импульсные с временем восстановления (tвос.обр.>150 нс) 501-599 Диоды импульсные с временем восстановления 30 нс 601-699 Диоды импульсные с временем восстановления 5 нс 701-799 Диоды импульсные с временем восстановления 1 нс 801-899 Диоды импульсные с временем восстановления
Ц Выпрямительные столбы и блоки 101-199 Выпрямительные столбы малой мощности (Iпр.ср.
А Сверхвысокочастотные диоды 101-199 Смесительные 201-299 Детекторные 301-399 Модуляторные 401-499 Параметрические 501-599 Регулирующие 601-699 Умножительные 701-799 Генераторные
B Варикапы 101-199 Подстроечные 201-299 Умножительные
И Диоды туннельные и обращенные 101-199 Усилительные 201-299 Генераторные 301-399 Переключающие 401-499 Обращенные
С Стабилитроны и стабисторы 201-299 Стабилитроны малой мощности (до 0,3 Вт) от 10 до 99 В 301-399 Стабилитроны малой мощности (до 0,3 Вт) от 100 до 199 В 401-499 Стабилитроны средней мощности (от 0,3 до 15 Вт) от 0,1 до 9,9 В 501-599 Стабилитроны средней мощности (от 0,3 до 15 Вт) 10 от до 99 В 601-699 Стабилитроны средней мощности (от 0,3 до 15 Вт) от 100 до 199 В 701-799 Стабилитроны большой мощности (от 5 до 25 Вт) от 0,1 до 9,9 В 801-899 Стабилитроны большой мощности (от 5 до 25 Вт) от 10 до 99В 901-999 Стабилитроны большой мощности (от 5 до 25 Вт) от 100 до 199В
Л Излучатели 101-199 Инфракрасного излучения 201-299 Видимого излучения с яркостью менее 500 кд/м2 301-399 Видимого излучения с яркостью более 500 кд/м2
Н Динисторы 101-199 Динисторы малой мощности со средним током в открытом состоянии менее 0,3 А 201-299 Динисторы средней мощности со средним током в открытом состоянии от 0,3 до 10 А
У Тиристоры 101-199 Тиристоры малой мощности со средним током в открытом состоянии менее 0,3 А 201-299 Тиристоры средней мощности со средним током в открытом состоянии от 0,3 до 10 А 301-399 Запираемые тиристоры малой мощности с запираемым током менее 0, З А 401-499 Запираемые тиристоры средней мощности с запираемым током от 0,3 до 10 А 501-599 Симисторы малой.мощности с действующим током до 0,3 А 601-699 Симисторы средней мощности с действующим током от 0,3 до 10 А
3.Общий принцип действия
В полупроводнике n-типаосновными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрациязначительно превышает концентрацию дырок (nn >> np).В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np>> nn). При контакте двух полупроводников n- и p-типовначинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, аэлектроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизизоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительнозаряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательнозаряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойнойэлектрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузииэлектронов и дырок навстречу друг другу (рис.1). Пограничная область разделаполупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой)обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний.Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжениеUз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В длякремниевых.
n–p-переход обладаетудивительным свойством односторонней проводимости.
/>
Рисунок 1 — Образованиезапирающего слоя при контакте полупроводников p- и n-типов.
4.Конструкция полупроводниковых диодов
Основой плоскостных иточечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, которыйназывается базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке,которая называется кристаллодержателем.
Для плоскостногодиода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печипри высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторнойпримеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимостии p-n переход большой плоскости (отсюда название). Вывод от p-областиназывается анодом, а вывод от n-области – катодом (рис. 2).
/>
Рисунок 2
Большая плоскость p-nперехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, ноза счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными.
Точечныедиоды.
/>
Рисунок 3
К базе точечного диодаподводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, ичерез неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомыакцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область (рис. 4).
/>
Рисунок 4
Получается p-n переходочень малой площади. За счёт этого точечные диоды будут высокочастотными, номогут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер).
Микросплавные диоды.
Их получают путёмсплавления микрокристаллов полупроводников p- и n- типа проводимости. По своемухарактеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам –точечные.
5.Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов
/>
Рисунок 5
Вольтампернаяхарактеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехода:сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтампернаяхарактеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uапотенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратноготока ВАХ имеет наклон, так как за счёт возрастания обратного напряженияувеличивается генерация собственных носителей заряда.
/>
Рисунок 6
— Максимальнодопустимый прямой ток Iпр.max.
— Прямоепадение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Uпр.max.
— Максимальнодопустимое обратное напряжение Uобр.max = (⅔. .) ∙ Uэл.проб.
— Обратныйток при максимально допустимом обратном напряжении Iобр.max.
— Прямоеи обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратномнапряжениях:
/>
— Прямое и обратноединамическое сопротивление диода:
/>
/>
6.Выпрямительные диоды
Общая характеристикавыпрямительных диодов.
Выпрямительнымдиодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразованияпеременного тока в постоянный в силовых цепях, то есть в источниках питания.Выпрямительные диоды всегда плоскостные, они могут быть германиевые иликремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямоепадение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазонурабочих температур, по максимально допустимому обратному напряжению, а такжеимеют меньший обратный ток.
Есливыпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этомслучае допускается параллельное включение диодов (рис. 7).
/>
Рисунок 7
Добавочныесопротивления Rд величиной от единиц до десятков Ом включаются с цельювыравнивания токов в каждой из ветвей.
Если напряжение в цепипревосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случаедопускается последовательное включение диодов (рис. 8).
/>
Рисунок 8
Шунтирующиесопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания падениянапряжения на каждом из диодов.
Включениевыпрямительных диодов в схемах выпрямителей.
Диоды всхемах выпрямителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взятьодин диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтомутакой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток – малый КПД.
/>
Рисунок 9
/>
Рисунок 10
Значительно чащеприменяются двухполупериодные выпрямители.
/>
Рисунок 11
/>
Рисунок12
В течениеположительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 иVD3 – закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1,нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-).
В течениеотрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диодыVD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3,нагрузка, диод VD2, верхняя ветвь (-).
Поэтому ток черезнагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода. Схемавыпрямителя называется двухполупериодной.
Если понижающийтрансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторичной обмотки,то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах (рис. 13).
/>
Рисунок 13
7.Стабилитроны, варикапы, светодиоды и фотодиоды
Стабилитроны.
Стабилитрономназывается полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровняпостоянного напряжения. Стабилизация – поддержание какого-то уровня неизменным.По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые. Принцип действиястабилитрона основан на том, что на его вольтамперной характеристике имеетсяучасток, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающеготока.
/>
Рисунок 14
Таким участком являетсяучасток электрического пробоя, а за счёт легирующих добавок в полупроводник токэлектрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя втепловой пробой.
Так как участокэлектрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включаетсяобратным включением (рис. 14).
/>
Рисунок 15
Резистор Ro задаёт токчерез стабилитрон таким образом, чтобы величина тока была близка к среднемузначению между Iст.min и Iст.max. Такое значение тока называется номинальнымтоком стабилизации.
Принцип действия.
При уменьшении входногонапряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro может уменьшаться,а напряжения на стабилитроне и на нагрузке останутся постоянными, исходя извольтамперной характеристики. При увеличении входного напряжения ток черезстабилитрон и URo увеличивается, а напряжение на нагрузке всё равно остаётсяпостоянным и равным напряжению стабилизации.
Следовательно,стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через негоот Iст.min до Iст.max.
Основные параметрыстабилитронов:
— Напряжениестабилизации Uст.
— Минимальное,максимальное и номинальное значение тока стабилизации Iст.min, Iст.max,Iст.ном. (рис. 16).
/>
Рисунок 16
ΔUст. – изменениенапряжения стабилизации.
Дифференциальноесопротивление на участке стабилизации:
/>
— Температурныйкоэффициент стабилизации
/>
Рисунок 17
/>
Стабилитроны,предназначенные для стабилизации малых напряжений, называются стабисторами.
Стабисторы – длястабилизации напряжения менее 3В, и у них используется прямая ветвь ВАХ (рис.18).
/>
Рисунок 18
Применяютсястабисторы в прямом включении.
Варикапы
Варикапомназывается полупроводниковый диод, у которого в качестве основного параметраиспользуется барьерная ёмкость, величина которой варьируется при измененииобратного напряжения. Следовательно, варикап применяется как конденсаторпеременной ёмкости, управляемый напряжением.
/>
Рисунок 19
Принцип действия.
Если к p-n переходуприложить обратное напряжение, то ширина потенциального барьера увеличивается.
/>
При подключенииобратного напряжения ширина перехода ΔХ увеличивается, следовательно,барьерная ёмкость будет уменьшаться. Основной характеристикой варикаповявляется вольт-фарадная характеристика С=f(Uобр).
/>
Рисунок 20
Основныепараметры варикапов:
— Максимальное, минимальное и номинальное значение ёмкости варикапа.
— Коэффициент перекрытия
/>
— отношениемаксимальной ёмкости к минимальной.
— Максимальное рабочее напряжение варикапа.
Фотодиоды.
Фотодиодомназывается фотогальванический приёмник излучения, светочувствительный элементкоторого представляют собой структуру полупроводникового диода без внутреннегоусиления.
Принципдействия.
Приоблучении полупроводника световым потоком Ф возрастает фотогенерациясобственных носителей зарядов (рис. 21), что приводит к увеличению количествакак основных, так и неосновных носителей зарядов.
/>
Рисунок 21
Однако фотогенерация взначительной степени будет влиять на обратный ток, так как не основныхносителей зарядов значительно меньше, чем основных.
/>
Рисунок 22
Для фотодиодов Iобр –это фототок. Зависимость фототока Iф от величины светового потока Iф=f(Ф) (рис.22).
/>
Рисунок 23
Спектральнаяхарактеристика – это зависимость фототока от длины волны светового излученияIф=f(λ).
/>
Рисунок 24
Темновой ток – токчерез фотодиод при отсутствии светового потока и при заданном рабочемнапряжении.
Интегральнаячувствительность – это отношение фототока к световому потоку
/>
Рабочее напряжение –это обратное напряжение, подаваемое на фотодиод, при котором все параметрыфотодиода будут оптимальными.
/>
Рисунок 25
Светодиоды.
Светодиодомназывается полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственноепреобразование электрической энергии в энергию светового излучения.
Принципдействия.
При прямомвключении основные носители заряда переходят через p-n переход и тамрекомбинируют. Рекомбинация связана с выделением энергии. Для большинстваполупроводниковых материалов это энергия тепловая. Только для некоторых типовна основе арсенида галлия ширина запрещённой зоны ΔW достаточно велика, идлина волны лежит в видимой части спектра.
/>
При обратном включениичерез p-n переход переходят неосновные носители заряда в область, где онистановятся основными. Рекомбинация и свечение светодиода отсутствуют.
Основныехарактеристики:
а) Яркостнаяхарактеристика – это мощностная зависимость излучения от прямого токаPu=f(Iпр).
/>
Рисунок 26
б) Спектральнаяхарактеристика – это зависимость мощности излучения от длины волныPu=f(λ).
/>
Рисунок 27
Основныепараметры: яркость свечения при максимальном прямом токе; полная мощностьизлучения Pu.max.
8.Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды
Импульсные диоды.
Импульсныедиоды предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов отнескольких нс до нескольких мкс. Рассмотрим работу обычного p-n перехода приподаче на него импульсного напряжения.
/>
Рисунок 28
/>
Рисунок 29
Впромежуток времени от 0 до t1 p-n переход закрыт (обратным напряжениемпренебрегаем). В момент t1 p-n переход открывается, но ток через него и черезнагрузку достигает своего максимального, то есть установившегося значения, немгновенно, а за время tуст., которое необходимо для заряда барьерной ёмкостиp-n перехода.
В моментвремени t2 p-n переход почти мгновенно закрывается. Область p-проводимостиоказывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Неуспевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p-n переходавозвращаются в n-область, за счёт чего сильно возрастает обратный ток. По мереухода электронов из p-области обратный ток уменьшается, и через время tвосст.p-n переход восстанавливает свои «закрытые» свойства. В импульсных диодах времявосстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсныедиоды конструктивно выполняются точечными или микросплавными. Толщина базыдиода делается минимальной. Полупроводник легируют золотом для увеличенияподвижности электронов.
Диоды ВЧ.
Этоуниверсальные диоды, которые могут быть детекторными, модуляторными,импульсными при достаточных длительностях импульса, и даже выпрямительными прималых токах нагрузки. Основное отличие ВЧ диодов – обратная ветвь вольтампернойхарактеристики плавно понижается (увеличивается обратный ток, постепеннопереходя в область электрического пробоя) (рис. 30).
/>
Рисунок 30
Такое понижениеобратной ветви ВАХ объясняется усиленной термогенерацией собственных носителейзарядов на малой площади p-n перехода.
Микросплавные ВЧ диодыимеют бoльшую барьерную ёмкость, чем точечные, и для того, чтобы их можно былоиспользовать на высоких частотах, вблизи p-n перехода понижают концентрациюакцепторной и донорной примеси.
/>
Рисунок 31
Понижение концентрациипримеси приводит к увеличению ширины p-n перехода, следовательно, к уменьшениюбарьерной ёмкости:
/>
СВЧ диоды.
На СВЧиспользуются диоды Шоттки и диоды с p-n переходом, площадь которого значительноменьше, чем у точечных.
/>
Рисунок 32
Заострённаявольфрамовая проволока в виде пружины прижимается к базе с определённымусилием, за счёт чего образуется очень малой площади p-n переход.
9.Диод Есаки (туннельный диод) и его модификации
Японский физик ЛеоЕсаки в 1958 г создал случайно диод с необычными свойствами, заключающимися вналичии участка с отрицательным сопротивлением и способностью усиливать сигнал.В процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-nпереходе он обнаружил «аномальную» ВАХ: дифференциальноесопротивление на одном из участков характеристики было отрицательным. Этотэффект он объяснил с помощью концепции «квантовомеханического туннелирования» ипри этом получил приемлемое согласие между теоретическими и экспериментальнымирезультатами. Не беда, что туннелирование нарушает законы физики:туннелировать, -значит, проникать сквозь барьер, как значительно позже сталпроникать Дэвид Коперфильд через Великую Китайскую стену. Если б такое быловозможным, электроны в атомах могли бы перескакивать с одной орбиты на другую,наступил бы процесс спонтанной мутации химических элементов и полный хаос.Появление же указанного эффекта исключительно в теории полупроводников лишьподчеркивает ее блефовую основу и полную несостоятельность квантовомеханическойтеории.
Туннельный диодпредставляет собой простой p-n переход, обе стороны которого сильно легированы.Это означает, что в диоде Есаки (ДЕ) образуются дополнительные переходы (рис.33)
/>
Рисунок33 — Дополнительные переходы диода Есаки.
Малаяширина основного перехода рождает принципиально новое свойство, связанное снеидеальностью линии границы перехода. Ширина d оказывается распределеннойнеравномерно по сечению канала (рис.34), отчего диод оказывается состоящим измногих параллельно включенных диодов с различающимися значениями d, причемнекоторые участки сечения образуют встречное включение переходов. Сумма этихучастков может рассматриваться как один паразитный диод.
/>
Рисунок34 — Вероятностное представление границ перехода ДЕ.
а-нормальное соотношение между шириной перехода и нестабильностью его границ; б-потенциалы границ при нормальном соотношении; в- взаимное перекрытие границ перехода.
Дополнительныепереходы также должны выполняться с резкой границей, что позволит им такжепереходить в режим паразитной проводимости.
Вотличии от существующей теории мы рассматриваем векторы напряженностей, а не разностейпотенциалов. Это оказывается решающим фактором для независимого анализа группыпараллельных диодов, поскольку появляются участки с противоположнымнаправлением напряженности. На рис. 35 схематично изображен ДЕ, в которомдополнительные переходы объединены в один. Теперь анализ работы ДЕ распадаетсяна несколько частей: состояние основного и дополнительного переходов, а такжевключения или выключения паразитных режимов. Число сочетаний режимов 4-х диодовстановится большим, поэтому анализ работы диода проводим раздельно.
/>
Рисунок35 — Схематическое представление ДЕ.
Введемпризнаки принадлежности параметров тому или иному диоду: параметры паразитныхдиодов будем отмечать точкой вверху, что позволит нам сохранить обозначения безиндексов для нормального диода основного перехода.
Висходном состоянии замыкание внешних выводов ДЕ приводит к глубокому запираниюобоих переходов (рис.4), что означает включение паразитных диодов. Приложиввнешнее прямое напряжение, мы еще сильнее открываем диод/>, но запираем диод/>, приближаяосновной переход к открыванию. Именно в этот момент происходят самые любопытныепроцессы. Поэтому целесообразно дальнейшее рассмотрение сосредоточить на этойфазе переключения основного перехода.
Нарисунке 36 показаны ВАХ диодов основного перехода.
/>
Рис.36. Вольтамперные характеристики нормального (1) и паразитного (2) диодовосновного перехода.
Вмомент достижения напряжения пятки Ud= UП паразитный диод закрывается.Одновременно открывается нормальный диод и на участке кривой 2, помеченномпунктирной линией, их токи будут вычитаться, что и приводит к появлению горбарезультирующей ВАХ (рис.37). Рост тока нормального диода приводит к еще одномунюансу, а именно – к появлению положительной обратной связи. Она создается засчет падения напряжения на ширине /> переходапротекающим током и, суммируясь с исходной разностью потенциалов ∆φ, заметно повышает крутизну ветви 1. поэтому результирующая ВАХ (рис. 4)представляет собой не просто разность токов двух диодов (участок АБ), а еще и некотороеусиление ее.
/>
Рисунок 37 — Результирующая ВАХ диода Есаки.
Нагрузочная линиязадает наклон переключения рабочей точки диода. В прямом направлении переключениепоказано стрелкой из точки А, в обратном – выбор происходит автоматически вмомент равенства динамического сопротивления диодов.
Ток паразитного диодавыражается аналогично обычному диоду и для прямого смещения запишем
/>(1),
где a- коэффициент,характеризующий долю поперечного сечения канала, перешедшую к паразитномудиоду;
b- коэффициент, характеризующийразность потенциалов на переходе паразитного диода относительно – основного />.
Динамическоесопротивление паразитного диода определяем дифференцированием
/> (2).
Модификации диодаЕсаки.
Степень легированиякрайних зон ДЕ определяет, насколько открыты паразитные диоды при нуле входногонапряжения. Для изменения величины
/>
свобода есть только вперепаде потенциалов дополнительных переходов />.Как изменится результирующая ВАХ диода? С уменьшением /> кривая2 на рис. 3 сдвигается вниз и влево, уменьшая пиковое значение тока. Горб нарезультирующей ВАХ уменьшается и может исчезнуть (рис. 38). Этот вариант ДЕполучил название обращенный диод, поскольку для малых напряжений прямая ветвьВАХ может использоваться в качестве обратной.
/>
Рисунок 38 — Вольтамперная характеристика обращенного диода.
Если наряду соснижением разности потенциалов дополнительного перехода выполнить его несколькоболее широким, паразитный диод /> перестанетоткрываться и станет похожим на обычный, но только до некоторого значенияобратного напряжения, называемого напряжением пробоя. Обратная ветвь такогодиода сдвигается влево, как показано на рисунке 39.
/>
Рисунок 39 –Вольтамперная характеристика стабилитрона.
Этот вид пробоя названзенеровским (по другой транскрипции ценеровским) по имени немецкого физикаZener, впервые обнаружившего это явление.
Еще один оченьинтересный эффект использует принцип ДЕ – лавинный диод. В зенеровском пробоеоткрывается нормальный диод дополнительного перехода, имеющего меньшую крутизнупотенциалов (рис. ), чем основной переход. Если из диода Есаки исключить (илисильно уменьшить) дополнительное легирование краев канала и расширить зонуперехода (теперь речь только об основном переходе), то образование паразитногодиода /> можетпроисходить при очень больших напряжениях. В этом случае, как и в случае«туннельного диода» также появляется положительная обратная связь за счетмалого (но уже заметного) обратного тока. Крутизна образовавшегося паразитногодиода повышается и его ВАХ стремится занять положение, соответствующее меньшемунапряжению в сравнении с напряжением пробоя (рис.40).
/>
Рисунок 40
В результате,получилось физическое описание процессов, не прибегая к уловкам и не вводятуннельных и прочих эффектов. А названные типы полупроводниковых приборовотносятся к одному классу – диодов Есаки.
10.Эффекты полупроводника
Тоннельный эффект.
Тоннельныйэффект (открыт в 1958 году в Японии) проявляется на p-n переходе в вырожденныхполупроводниках.
Вырожденныйполупроводник – это полупроводник с очень высокой концентрацией донорной илиакцепторной примеси. (Концентрация – 1024 атомов примеси на 1 куб. см.полупроводника).
В вырожденныхполупроводниках очень тонкий p-n переход: его ширина составляет сотые долимикрона, а напряжённость внутреннего поля p-n перехода составляет Ep-n ≈108 B/м, что обеспечивает очень высокий потенциальный барьер. Основные носителизаряда не могут преодолеть этот потенциальный барьер, но за счёт малой егоширины как бы механически пробивают в нём тоннели, через которые проходятдругие носители зарядов. Следовательно, свойство односторонней проводимости наp-n переходе при тоннельном эффекте отсутствует, а ток через p-n переход будетиметь три составляющие:
I = Iт.пр. – Iт.обр. + Iпр.,
где Iт.пр.– прямой тоннельный ток, за счёт прохождения зарядов через тоннели при прямомвключении;
Iт.обр. –обратный тоннельный ток, тот же самый, что и прямой, но при обратном включении;
Iпр. –прямой ток проводимости. Вызван носителями заряда, преодолевающимипотенциальный барьер при относительно высоком прямом напряжении.
Вольтампернаяхарактеристика p-n перехода при тоннельном эффекте будет иметь вид,изображённый на рисунке 41.
/>
Рисунок 41
На участке АВ прямойтоннельный ток уменьшается за счёт снижения потенциального барьера и в точке Вон становится равным нулю, а ток проводимости незначительно возрастает. За счётэтого общий ток на участке АВ уменьшается. Особенностью тоннельного эффектаявляется то, что на участке АВ характеристики имеет место отрицательноединамическое сопротивление.
/>
Тоннельныйэффект применяется в тоннельных диодах, которые используются в схемахгенераторов гармонических колебаний и как маломощные бесконтактныепереключающие устройства.
Эффект Гана
Эффект Ганапроявляется в полупроводниках n-типа проводимости в сильных электрическихполях.
/>
Рисунок 42
Участок ОА– линейный участок, на котором соблюдается закон Ома. Участок АВ – присравнительно больших напряжённостях электрического поля уменьшается подвижностьэлектронов (показывает, как легко электроны проходят сквозь кристаллическуюрешётку проводника) за счёт увеличения амплитуд колебания атомов в узлахкристаллической решётки. И за счёт этого рост тока замедляется. Участок ВС –сильное уменьшение подвижности электронов, что приводит к уменьшению тока.Участок CD – при очень больших напряжённостях значительно увеличиваетсягенерация носителей зарядов и, хотя подвижность электронов уменьшается, токвозрастает за счёт увеличения количества зарядов.
Сущностьэффекта Гана состоит в том, что если в полупроводнике создать напряжённостьэлектрического поля, большую Екр, но меньшую Епор, т. е. на участке ВСхарактеристики, то в полупроводнике возникнут электрические колебаниясверхвысокой частоты (СВЧ).
Эффект Ганаприменяется в диодах Гана, которые используются как маломощные генераторы СВЧ.
Эффект Холла
ЭффектХолла проявляется в полупроводниках n-типа проводимости с протекающими черезних токами и помещёнными в магнитное поле.
/>
Рисунок 43
На движущиеся электроныв полупроводнике будет действовать сила Лоренца F, под действием которойэлектроны будут отклоняться к дальнему краю пластинки (рис. 43), следовательно,там будет сгущение электронов, а около переднего края – недостаток их. Поэтомумежду этими краями возникнет ЭДС, которая называется ЭДС Холла. Эффект Холлаприменяется в магнитометрических датчиках.
11.Переход Шоттки
Образование переходаШоттки.
ПереходШоттки возникает на границе раздела металла и полупроводника n-типа, причёмметалл должен иметь работу выхода электрона большую, чем полупроводник.
/>
Рисунок 44
При контакте двухматериалов с разной работой выхода электронов электрон проходит из материала сменьшей работой выхода в материал с большей работой выхода, и ни при какихусловиях — наоборот. Электроны из приграничного слоя полупроводника переходят вметалл, а на их месте остаются некомпенсированные положительные заряды ионовдонорной примеси.
В металле большоеколичество свободных электронов, и, следовательно, на границеметалл-полупроводник возникает электрическое поле и потенциальный барьер. Возникшееполе будет тормозящим для электронов полупроводника и будет отбрасывать их отграницы раздела. Граница раздела металла и полупроводника со слоемположительных зарядов ионов донорной примеси называется переходом Шоттки(открыт в 1934 году).
Прямое и обратноевключение диодов Шоттки. Достоинства и недостатки.
— Еслиприложить внешнее напряжение плюсом на металл, а минусом на полупроводник,возникает внешнее электрическое поле, направленное навстречу полю переходаШоттки. Это внешнее поле компенсирует поле перехода Шоттки и будет являтьсяускоряющим для электронов полупроводника. Электроны будут переходить изполупроводника в металл, образуя сравнительно большой прямой ток. Такоевключение называется прямым.
— Приподаче минуса на металл, а плюса на полупроводник возникает внешнееэлектрическое поле, сонаправленное с полем перехода Шоттки. Оба этих поля будуттормозящими для электронов полупроводника, и будут отбрасывать их от границыраздела. Оба этих поля будут ускоряющими для электронов металла, но они черезграницу раздела не пройдут, так как у металла больше работа выхода электрона.Такое включение перехода Шоттки называется обратным.
Обратныйток через переход Шоттки будет полностью отсутствовать, так как в металле несуществует неосновных носителей зарядов.
12.Изготовление
В точечном диодеиспользуется пластинка германия или кремния с электропроводностью n- типа(рис.3.1), толщиной 0,1…0,6мм и площадью 0,5…1,5 мм2; с пластинкойсоприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью. Приэтом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создаютобласть с другим типом электропроводности. Таким образом, около иглы образуетсяминиатюрный р-n- переход полусферической формы.
Для изготовлениягерманиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку извольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученнаяобласть германия р-типа является эмиттерной.
Для изготовлениякремниевых точечных диодов используется кремний n- типа и проволочка, покрытаяалюминием, который служит акцептором для кремния.
В плоскостных диодахр-n- переход образуется двумя полупроводниками с различными типамиэлектропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит впределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятковквадратных сантиметров (силовые диоды).
Плоскостные диодыизготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии.
В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500оС каплю индия которая,сплавляясь с германием, образует слой германия р- типа. Область сэлектропроводностью р- типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежелиосновная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германияи к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходныйматериал взят германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получаетсяэмиттерная область n- типа.
Диффузионный методизготовления р-n- перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют восновной полупроводник. Для создания р- слоя используют диффузию акцепторногоэлемента (бора или алюминия для кремния, индия для германия) через поверхностьисходного материала.
13.Достоинства и недостатки
Полупроводниковые диодыобладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами – малыеразмеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существеннымнедостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров оттемпературы. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать тольков диапазоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.
Достоинстваперехода Шоттки:
— отсутствие обратного тока;
— переходШоттки может работать на СВЧ;
— высокое быстродействиепри переключении из прямого состояния в обратное и наоборот.
Недостаток диода Шоттки– стоимость. В качестве металла обычно применяют золото.
14.Перспективы развития
Ударно-ионизационныйволновой пробой и генерация пикосекундных сверхширокополосных исверхвысокочастотных импульсов в дрейфовых диодах на основе GaAs с резкимвосстановлением:
Впервыеэкспериментально подтверждено, что работа дрейфовых GaAs-диодов с резкимвосстановлением, изготовленных из p+-p0-n0-n+-структур,сопровождается возбуждением сверхвысокочастотных осцилляций в виде цуговкоротких импульсов длительностью ~ 10 пс. Амплитуда импульсов и частота ихповторения достигают значений ~ 100 В и ~ (10-100) ГГц соответственно. Фактсуществования явлений задержанного обратимого волнового пробоя и возбуждениясверхвысокочастотных осцилляций в структурах GaAs-диодов с резкимвосстановлением открывает перспективы развития новых направлений как в физике итехнике полупроводниковых приборов на основе GaAs-структур, так и в новых областяхтехники и технологии сверхвысокочастотных и сверхширокополосных систем иустройств, оперирующих с импульсными сигналами пикосекундной длительности.
Заключение
Полученные данныепозволяют расчетным путем конструировать полупроводниковые приборы по заранеезаданным характеристикам. Возможно создание новых типов приборов или изменениеконструкции — существующих. Например, один из дополнительных переходов можно безболезненноудалить из конструкции «туннельного» диода (любой). То же справедливо и длястабилитронов, поскольку два перехода не бывают идентичными, а близость ихсвойств может породить спонтанный переход стабилитрона в режим «туннелирования»на обратной ветви.
Раскрытие механизмаобразования паразитного диода и режима его работы позволяет решить проблемуоптимизации переходов, заключающуюся в выборе технологических режимовизготовления приборов.
Рассмотренные примерыпоказывают, сколь ущербна сегодняшняя физика полупроводников и сколь необходимаее коренная переработка.
Списоклитературы
1.Тугов Н.М., Глебов Б.А. Полупроводниковые приборы — М.: Энергоатомиздат,1990г.—576с.
2.Козлов В.А., Рожков А.В., Кардо-Сысоев А.Ф. Журнал «Физика и техникаполупроводников», том 37, вып. 12 С-Пб: ФТИ, 2003г. – 140с.
3.Хлебников М.М. «Электронные приборы». Учебник для электротехническихинститутов связи – М.: «Связь», 1986г. – 598с.
4.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника – М.: Высшая школа,1991г.— 617с.