- Москат Е. А. Книга «Електронна техніка. Початок"
- 3.1.2. Конструкції і найпростіші способи виготовлення напівпровідникових діодів
- 3.1.3. Деякі основні параметри напівпровідникових діодів
- 3.2. випрямні діоди
- 3.3. імпульсні діоди
- 3.4. варикапи
- 3.5. Стабілітрони і стабістори
- 3.6. світлодіоди
- 3.7. напівпровідникові лазери
- 3.8. фотодіоді
Наша сеть партнеров Banwar
Москат Е. А. Книга «Електронна техніка. Початок"
3. Напівпровідникові діоди
3.1. Конструкція і основні параметри напівпровідникових діодів
3.1.1. Загальні відомості про напівпровідникові діодах
Напівпровідниковий діод - це зазвичай напівпровідниковий нелінійний компонент з двома висновками, що володіє властивістю односторонньої провідності, і має електронно-дірковий перехід. У цьому визначенні важливо слово «звичайно», так як деякі різновиди діодів не володіють властивістю односторонньої провідності (тунельні діоди) і не мають електронно-діркового переходу (діоди Ганна). Такі діоди, до речі, нами вже були розглянуті.
Ідеальний напівпровідниковий діод допускає протікання нескінченно великого прямого струму і витримує нескінченно велика зворотна напруга. Це відображено на вольтамперної характеристиці, зображеної на рис. 3.1.
Ідеальних діодів на практиці не буває. Реальний діод завжди має кінцеву величину зворотної напруги, після чого настане електричний пробій, і цілком певний максимальний прямий струм, перевищення якого викличе тепловий пробій. Вольтамперная характеристика реального діода дана на рис. 3.2.
Діоди, виконані на основі кремнію, мають меншу величину зворотного струму і більш високу максимально допустиму температуру кристала, ніж германієві діоди. Однак падіння напруги на кремнієвих діодах в прямому включенні приблизно в два рази вище, ніж на германієвих діодах.
Анодом діода називають висновок від тієї області електронно-діркового переходу діода в прямому включенні, до якого приєднують позитивний полюс джерела живлення. А висновок від області, до якої підключають негативний полюс джерела живлення, називають катодом.
ККД діодів може в окремих випадках досягати 99%, тобто зазвичай він досить великий.
3.1.2. Конструкції і найпростіші способи виготовлення напівпровідникових діодів
Для отримання найпростішого точкового діода беруть платівку металу з прикріпленим до неї висновком і до неї приварюють кристал напівпровідника електронного типу провідності. Цей кристал називають базою діода. Потім беруть металеву голку з приєднаним до неї висновком, що виготовляється, наприклад, з вольфраму, золота, берилієвої бронзи, на яку нанесений легуючий матеріал, і її гострий кінчик наголошують в кристал бази діода так, щоб голка була подпружинена. Як легирующего матеріалу часто використовують алюміній і індій. Всі частини майбутнього діода поміщені в корпус, який, наприклад, може бути маленьким скляним балоном, з якого відкачано повітря. Далі здійснюють формування, тобто місцеве нагрівання ділянки між голкою і напівпровідникової пластиною для того, щоб на невеликій площі їх матеріали друг в друга дифундувати. Для цього через діод в прямому і зворотному напрямках пропускають короткі імпульси з силою струму близько 1 А, що у багато разів перевищує максимальний постійний струм виготовляється точкового діода. Матеріал акцепторной домішки, який знаходився на голці, і той, з якого вона складалася, дифундують на невеликій майже півсферичний ділянку в базу діода, утворюючи перехід. Точкові діоди завдяки невеликій площі електронно-діркового переходу зазвичай мають малу ємність, а, отже, можуть працювати на високій частоті, не втрачаючи властивості односторонньої провідності. Однак мала площа переходу не дозволяє пропускати через точковий діод великі прямі струми без руйнування компонента.
Для виготовлення площинного діода беруть базу діода електронного типу провідності і кладуть на неї напівпровідникову пластину, яка пізніше стане грати роль акцепторной домішки. Потім їх нагрівають приблизно до 450 ° C ... 550 ° C у вакуумі, чому матеріал акцепторной домішки дифундує в базу майбутнього діода. Отриманий електронно-дірковий перехід буде володіти великою площею та суттєвої ємністю. Завдяки тому, що площа площинного діода велика, через нього можна пропускати досить великий струм в прямому включенні, проте найбільша частота, на якій такий діод може зберігати працездатність, буде низькою.
На завершення слід зазначити, що існують і багато інших конструкції, а також способи виготовлення діодів.
3.1.3. Деякі основні параметри напівпровідникових діодів
До основних параметрів діодів відносять:
максимально допустимий постійний прямий струм, А;
максимально допустимий імпульсний прямий струм, А;
максимально допустимий постійний зворотний напруга, В;
максимально допустимий імпульсна зворотна напруга, В;
зворотний струм, що протікає через діод в зворотному включенні при доданому до його висновків максимально допустимому постійній напрузі, мкА;
статичний опір діода в прямому включенні, яке дорівнює відношенню падіння напруги на діоді в прямому включенні до сили прямого струму, Ом;
статичний опір діода в зворотному включенні, яке дорівнює відношенню величини зворотної напруги до сили зворотного струму, МОм;
динамічний опір діода в прямому включенні, що становить відношення зміни падати не діод постійної напруги в прямому включенні до величини зміни сили прямого струму, Ом;
динамічний опір діода в зворотному включенні, яке дорівнює відношенню зміни зворотної напруги до зміни величини зворотного струму, Ом;
повна ємність замкненого діода, пФ;
максимально допустима частота протікає по диоду змінного струму, Гц, і ін.
3.2. випрямні діоди
Випрямним називають діод, який призначений для отримання однополярного пульсуючого напруги шляхом випрямлення змінної напруги. Отримане пульсує напруга згладжують, наприклад, конденсатором, в результаті отримуючи постійну напругу. Випрямні діоди виготовляють за технологією отримання площинних діодів в зв'язку з тим, що їх зазвичай використовують на низьких частотах, а прямий струм через електронно-дірковий перехід часто становить багато ампер. Малопотужні випрямні діоди здатні успішно розсіювати виділяється в них тепло виключно своїм корпусом, в той час як потужні діоди іноді цього зробити не можуть, у зв'язку з чим їх монтують на охолоджувачі. Випрямні діоди випускають як дискретними компонентами, так і об'єднаними в діодні збірки.
Якщо зворотна напруга, що прикладається до випрямного діода, буде більше максимально допустимого для конкретної марки компонентів, то для попередження розвитку пробою кілька діодів з'єднують послідовно. Опір діодів в зворотному включенні досить по-різному навіть для компонентів однієї марки і партії. Щоб уникнути перевищення допустимого значення зворотної напруги на тому діод, опір якого найбільш велике, кожен з послідовно з'єднаних діодів шунтируют високоомним резистором. Це дозволяє вирівняти зворотні напруги на всіх діодах.
Якщо прямий струм, що протікає через діод, буде більше максимально допустимого для конкретної марки діодів, то для запобігання виходу з ладу кілька діодів з'єднують паралельно. Опір діодів навіть однієї марки і партії в прямому включенні іноді має істотні відмінності. Щоб уникнути перевищення допустимої сили прямого струму на тому діод, опір якого найбільш низько, послідовно з кожним з діодів включають по низькоомними резистору. Це дозволяє вирівняти силу прямих струмів, що протікають по всьому диодам.
3.3. імпульсні діоди
Імпульсними називають діоди, призначені для пропускання в прямому включенні дуже коротких імпульсів, тривалістю менш мікросекунди, з великою амплітудою струму. При настільки коротких імпульсах основний вплив на роботу діода надаватимуть бар'єрна ємність і тривалість зворотного відновлення, обумовлена швидкістю рекомбінації носіїв заряду. Бар'єрна ємність деяких імпульсних діодів може бути нижче 1 пФ. Імпульсні діоди, що функціонують на частоті приблизно 1 ГГц, часто володіють точковою конструкцією. Також імпульсні діоди виготовляють планарной, Меза-планарной, сплавний і зварної конструкцій. Нехай через імпульсний діод протікає електричний струм в прямому включенні. Якщо різко змінимо полярність прикладеної напруги, то діод вмить не перейде в закритий стан, а спочатку істотно зросте зворотний струм, обумовлений наявністю на ділянці електронно-діркового переходу підвищеної концентрації неосновних носіїв заряду. Потім зворотний струм починає знижуватися майже по експоненті з огляду на рекомбінації неосновних носіїв зарядів і їх міграції через електронно-дірковий перехід, по закінченні чого зворотний струм встановиться на певному рівні.
Імпульсні діоди застосовують в електронних ключах, генераторах, модуляторах і формувач імпульсів і ін., Причому тривалість періоду імпульсів може бути навіть менше кількох пикосекунд. Такі діоди використовують, наприклад, в демпферах і вихідних випрямлячах імпульсних джерел живлення, причому прямий струм через відкриті діоди може досягати десятків ампер, а частота - сотень кілогерц.
3.4. варикапи
Бар'єрна ємність діодів, на противагу дифузійної ємності, мало залежить від частоти сигналу і температури електронно-діркового переходу. Величина бар'єрної ємності залежить від зарядів іонів легуючого речовини. При зворотному включенні діода зростає ширина потенційного бар'єру, чому бар'єрна ємність знижується. Варикапом називають напівпровідниковий діод, спроектований так, щоб була висока його добротність, а бар'єрна ємність була стабільна при флуктуації частоти і температури. Чим більше постійне зворотна напруга, прикладена до варикапів, тим менше його бар'єрна ємність. Найважливіша характеристика варикапов - вольт-фарадні - відображає залежність бар'єрних ємностей варикапов від зворотних напруг. Наявність такої залежності дозволяє використовувати варикапи в коливальних контурах як перебудовується ємності.
Бар'єрну ємність варикапа відображає наступна формула:
Cв = (S • ε • ε0) / (d • √ (1 - U / φ0)), Ф,
де S - площа електронно-діркового переходу, м2;
d - довжина електронно-діркового переходу, м;
ε - діелектрична проникність напівпровідника;
ε0 - діелектрична проникність вакууму;
U - напруга, прикладена до варикапів, В;
φ0 - висота потенційного бар'єру.
Добротність варикапа допустимо обчислити згідно з формулою:
Q = 1 / (2 • π • F • r • Cв),
де F - частота сигналу, Гц;
r - опір тієї області напівпровідникового кристала варикапа, в якій мінімальна концентрація домішок, Ом;
Cв - бар'єрна ємність варикапа, Ф.
Коефіцієнт перекриття по ємності варикапов, рівний відношенню максимальної ємності до мінімальної ємності, досягає 3 ... 7 разів для компонентів з високою початковою ємністю, і 20 ... 30 для деяких спеціальних приладів. Часто для перебудови діапазонів багатоконтурних приймачів необхідно кілька об'єднаних один з одним певним чином варикапов. Такі набори з декількох варикапов, ув'язнені в єдиний корпус, називають варікапную матрицями. Промисловість випускає і дискретні варикапи, і варікапную матриці. Варикапи широко використовують для перебудови коливальних контурів діапазонів КВ і УКВ в радіомовних і телевізійних приймачах.
3.5. Стабілітрони і стабістори
Напівпровідниковими стабілітронами називають площинні діоди, які застосовують для підтримки на незмінному рівні зворотного постійної напруги, прикладеного до замкненого стабілітрону. При вивченні пробоїв електронно-доручених переходів було відзначено, що при зенеровском і лавину пробоях падаючі на діодах зворотні напруги майже постійні в широких діапазонах зворотних струмів. Зенеровскій пробою притаманний стабілітронах з низькою напругою пробою, а лавинний пробій - стабілітрон з високою напругою пробою. Так як під час зазначених пробоїв в електронно-доручених переходах виділяється тепло, яке збільшує температуру кристалів, застосовують напівпровідники, що володіють високою температурною стабільністю, при використанні яких зворотний струм буде малий. З іншого боку, зазначені пробої виникають при досить низьких зворотних напругах, через що розсіює потужність напівпровідникових стабілітронів не велика.
Стабілітрони виготовляють з кремнію електронного типу провідності, який легируют акцепторною домішкою. Для цього в пластинку кремнію зазвичай вплавляют алюміній, до матеріалів областей електронно-діркового переходу під'єднують висновки, всю систему поміщають в корпус, який герметизують. Корпуси стабилитронов зазвичай скляні, металоскляний або металопластикові.
Важливим параметром стабилитронов виступає температурний коефіцієнт напруги (ТКН) стабілізації, який відображений наступною формулою:
ТКН = (ΔUст / (ΔT • Uст)) • 100,% / град,
де ΔUст - найбільша зміна напруги стабілізації, В;
ΔT - найбільша зміна температури, град;
Uст - номінальна напруга стабілізації при номінальному зворотному струмі, В.
Стабілітрон з лавинним пробоєм характерним є володіння позитивним ТКН, тобто при фіксованому зворотному струмі з ростом температури напівпровідникового кристала зворотне напруга зростає. Стабілітрон з зенеровскім пробоєм властиво наявність негативного ТКН, тобто при стабільному зворотному струмі з ростом температури кристала напівпровідника зворотна напруга зменшується.
Вольтамперная характеристика стабілітрона в області прямого включення не має відмінностей від інших діодів, а в області зворотного включення лежить ділянку, на якому при значній зміні зворотного струму практично постійно зворотна напруга. Це відображено на рис. 3.3, на якому зображена вольтамперная характеристика типового стабилитрона.
Стабілітрони застосовують для обмеження імпульсів, з метою підтримки опорного напруги на постійному рівні в параметричних стабілізаторах, для захисту ланцюгів від перевищення напруги та інших цілей.
Стабисторов називають діоди, які застосовують для підтримки на незмінному рівні прямого постійної напруги в прямому включенні. Зазвичай в якості напівпровідника для виготовлення стабисторов застосовують селен. Стабістори використовують для стабілізації постійної напруги, величиною від доль до декількох вольт. Для збільшення напруги пробою стабістори часто включають послідовно. Стабисторов властива негативна величина ТКН, і при їх послідовному з'єднанні з лавинними стабілітронами може бути досягнута деяка незалежність напруги пробою системи від температури.
Час безперервної роботи окремих марок кремнієвих стабілітронів до виходу з ладу перевищує кілька десятків тисяч годин, а селенових стабисторов зазвичай не досягає і тисячі годин через деградацію напівпровідника.
3.6. світлодіоди
Світлодіодом називають такий напівпровідниковий компонент, в якому рекомбінацію носіїв зарядів супроводжує випускання квантів некогерентного світла. При протіканні струму через світлодіод в прямому включенні електрони долають електронно-дірковий перехід і рекомбінують, переходячи на нижчі енергетичні рівні і випускаючи кванти світла. Для виготовлення світлодіодів придатні далеко не всякі напівпровідники, а тільки груп AIIBVI і AIIIBV, такі як арсенід галію, фосфід індію та інші. Відповідні напівпровідники мають досить широку заборонену зону, щоб довжина випромінюваної хвилі лежала в заданій області спектра. До найбільш важливих характеристик світлодіодів відносять спектральную і яркостную характеристики. Спектральна характеристика - залежність вироблюваної потужності світлового потоку від довжини хвилі. А яркостная характеристика - це залежність потужності світлового потоку від сили струму, що протікає по светодиоду в прямому включенні.
До переваг світлодіодів відносять механічну міцність, тривалий час напрацювання на відмову, часто перевищує десять тисяч годин, низьке пряме напруга, що становить до кількох вольт, низьку ціну, можливість функціонування в широкому діапазоні температур. Технологія виготовлення світлодіодів не має на увазі обов'язкового використання сильно токсичних речовин, що також відносять до переваг.
Недолік індикаторних світлодіодів для апаратури широкого вжитку укладений в зазвичай невисокому КПД, що становить від часток до декількох відсотків.
Світлодіоди використовують для індикації стану апаратури, а потужні світлодіоди застосовують для освітлення.
3.7. напівпровідникові лазери
Лазером називають квантовий генератор монохроматичноговипромінювання оптичного діапазону хвиль. Робоче тіло лазерів може бути виконано:
з газу (на основі азоту, аргону, гелію і неону, криптону, ксенону та іншого),
на барвниках (кумарини, родамін, гексаціаніне 3, крезіле фіолетовому і інших),
твердотілим (лазером, що використовують олександрит або титан-сапфір, рубіновим і іншим),
на напівпровідниках (лазери з квантовими ямами, лазери з гетероструктур на основі арсеніду галію, з роздільним утриманням та інші),
або тіло може бути специфічним, і реалізованим на перегрітої плазмі, на вільних електронах, на солитонах і подібних об'єктах.
Напівпровідникові лазери використовують, наприклад, для виробництва лазерних діодів. Основою лазерного діода виступає спеціально підготовлений електронно-дірковий перехід площинний конструкції, отриманий в напівпровіднику електронного типу провідності, наприклад, з арсеніду галію. Кристал напівпровідника зазвичай має розміри по довжині, ширині і висоті менше 500 × 400 × 100 мкм. Спрощена конструкція лазерного діода без дотримання пропорцій показана на рис. 3.4.
Грані пластинок напівпровідника, між якими утворено електронно-дірковий перехід, утворюють резонатор Фабрі-Перо, і грають роль дзеркал для потрапили в нього фотонів, які будуть відображені від декількох сотень разів до декількох тисяч разів, перш ніж його покинуть. Спочатку концентрація електронів на верхніх енергетичних рівнях спочатку нижче концентрації електронів на нижніх енергетичних рівнях. Якщо подсоединим лазерний діод до зовнішнього джерела живлення в прямому включенні, то виникне інжекція електронів в область доречний провідності і їх рекомбінація на кордоні електронно-діркового переходу, який володіє протяжністю часто менш 2 мкм, супроводжувана виділенням квантів світла - фотонів. Концентрація електронів на верхніх енергетичних рівнях зростає і починає перевищувати концентрацію електронів на нижніх енергетичних рівнях. Відбудеться безліч відображень від резонатора, протягом яких індукують фотони ініціюють ще більше збільшення рекомбінації і породять нові індуковані фотони. Таким чином, фотони утворюють монохроматическое світлове випромінювання «L», яке через вікно в корпусі залишає лазерний діод.
Слід зауважити, що лазери використовують майже повністю для генерації, але не для посилення коливань. Лазерні діоди знайшли широке застосування в спектрографах, лазерних прицілах і далекомірах, їх застосовують в лазерних принтерах і в медичних приладах для дослідження сітківки. Лазерні діоди входять невід'ємною частиною системи зчитування, стирання і запису інформації на лазерних дисках.
3.8. фотодіоді
Фотодиодом називають фотогальванічний приймач з електронно-дірковий переходом, опромінення якого світлом викликає збільшення сили зворотного струму. Матеріалом напівпровідника фотодіода зазвичай виступає кремній, сірчисте срібло, сірчистий талій або арсенід галію. Фотодіод влаштований так само, як звичайний площинний діод, а відмінність полягає в прозорому вікні, яке організоване в корпусі фотодіода навпаки областей електронного або діркового типів провідності в напівпровідниковому кристалі. Таким чином, через це вікно світло потрапляє всередину фотодіода і опромінює одну з областей електронно-діркового переходу. Фотодіоди можуть бути використані в одному з двох включень: вентильному або фотодіодному.
Розглянемо фотодіодних включення компонента. Послідовно з фотодиодом включимо навантажувальний резистор і джерело живлення, приєднаний плюсом до катода фотодіода, а мінусом до анода. Поки опромінення вікна відсутній, через фотодіод протікає маленький зворотний струм Ф0, який називають темновим струмом, силою від одиниць до декількох десятків мікроампер. Це відображено на вольтамперної характеристиці фотодіода, показаної на малюнку 3.5.
Опромінюючи кристал слабким світловим потоком, до спектру якого буде чутливий фотодіод, через що виникне генерація електронів і дірок, і зворотний струм стане більше (Ф1> Ф0). Струм, що протікає через навантажувальний резистор, зросте. Якщо світловий потік стане ще значніше, то відповідно зросте і зворотний струм фотодіода (Ф2> Ф1). Пропускається по навантажувальні резистори струм стане ще істотніше. Очевидно, що сила струму, що протікає по резистору, і падіння постійної напруги на ньому залежать від величини світлового потоку.
У вентильному включенні зовнішнє джерело живлення не використовують, а до висновків фотодіода під'єднують навантажувальний резистор. Під дією світлового потоку виникає фотогенерація носіїв заряду і фото-ЕРС, на висновках фотодіода з'являється постійна напруга. Ця напруга підводять до навантажувальні резистори, через який тече електричний струм.
Фотодіоди мають тривалим терміном напрацювання на відмову, високою чутливістю до регистрируемому випромінювання, володіють малими масою і габаритами.
