Наша сеть партнеров Banwar
Напівпровідник про вий ді о д, двухелектродний електронний прилад на основі напівпровідникового (ПП) кристала. Поняття «П. д. »об'єднує різні прилади з різними принципами дії, що мають різноманітне призначення. Система класифікації П. д. Відповідає загальній системі класифікації напівпровідникових приладів . У найбільш поширеному класі електропреобразовательних П. д. Розрізняють: випрямні діоди, імпульсні діоди, стабілітрони, діоди СВЧ (в т. Ч. Відеодетектори, змішувальні, параметричні, підсилювальні й генераторні, помножувальні, переключательние). Серед оптоелектронних П. д. Виділяють фотодіоди, світловипромінюючі діоди і ПП квантові генератори.
Найбільш численні П. д., Дія яких заснована на використанні властивостей електронно-діркового переходу (Р-n-переходу). Якщо до р-n-переходу діода (рис. 1) прикласти напругу в прямому напрямі (т. Н. Пряме зміщення), т. Е. 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 електронів з n-області в р -область - тече прямий струм (рис. 2). Якщо прикласти напругу в зворотному напрямку (зворотний зсув), то потенційний бар'єр підвищується і через р-n- перехід протікає лише дуже малий струм неосновних носіїв заряду (зворотний струм). На рис. 3 приведена еквівалентна схема такого П. д.
На різкою несиметричності вольтамперної характеристики (ВАХ) заснована робота випрямних (силових) діодів. Для випрямних пристроїв і ін. Сільноточних електричних ланцюгів випускаються випрямні П. д., Мають допустимий випрямлений струм Iв до 300 а і максимальна допустима зворотна напруга U * обр від 20-30 в до 1-2 кв. П. д. Аналогічного застосування для слабкострумових ланцюгів мають Iв <0,1 а і називаються універсальними. При напрузі, що перевищують U * o6p, струм різко зростає, і виникає незворотний (теплової) пробою р-n-переходу, що приводить до виходу П. д. З ладу. З метою підвищення U * обр до декількох десятків кв використовують випрямні стовпи , В яких кілька однакових випрямних П. д. З'єднані послідовно і змонтовані в загальному пластмасовому корпусі. Інерційність випрямних діодів, обумовлена тим, що час життя інжектованих дірок (див. напівпровідники ) Становить> 10-5-10-4 сек, обмежує частотний межа їх застосування (зазвичай областю частот 50-2000 гц).
Використання спеціальних технологічних прийомів (головним чином легування германію та кремнію золотом) дозволило знизити час перемикання до 10-7 - 10-10 сек і створити швидкодіючі імпульсні П. д., Які використовуються, поряд з діодними матрицями , Головним чином в слабкострумових сигнальних ланцюгах ЕОМ.
При невисоких пробивних напружених зазвичай розвивається не теплової, а оборотний лавинний пробій р-n-переходу - різке наростання струму при майже незмінному напрузі, називається напругою стабілізації Ucт. 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 обмежниках постійного та імпульсного напруги; прецизійні стабілітрони, у яких встраиванием компенсують похибки досягається виключно висока температурна стабільність Ucт (до 1 × 10-5- 5 × 10-6 К-1), - як джерела еталонного і опорного напруг.
У предпробойной області зворотний струм діода схильний дуже значним флуктуацій; це властивість р-n- переходу використовують для створення генераторів шуму. Інерційність розвитку лавинного пробою в р-n-переході (що характеризується часом 10-9-10-10 сек) обумовлює зсув фаз між струмом і напругою в діоді, викликаючи (при відповідній схемі включення його в електричний ланцюг) генерування СВЧ коливань. Це 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 НВЧ використовують змішувальні П. д. І відеодетектори, в більшості яких р-n-перехід утворюється під точковим контактом. Це забезпечує мінімальне значення ємності Св (рис. 3), а специфічне, як і у всіх СВЧ діодів, конструктивне оформлення забезпечує малі значення паразитних індуктивності Lk і ємності Ск і можливість монтажу діода в хвилеводних системах.
При подачі на р-n-перехід зворотного зсуву, що не перевищує U * обр, він поводиться як високодобротних конденсатор, у якого ємність Св залежить від величини прикладеної напруги. Це властивість використовують в варикапах , Що застосовуються переважно для електронної перебудови резонансної частоти коливальних контурів, в параметричних напівпровідникових діодах , Службовців для посилення СВЧ коливань, в варакторов і умножительних діодах, службовців для множення частоти коливань в діапазоні СВЧ. У цих П. д. Прагнуть зменшити величину опору rб (основне джерело активних втрат енергії) і посилити залежність ємності Св від напруги Uo6p.
У р-n-переходу на основі дуже низкоомного (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 , Що застосовується в надшвидкодіючих імпульсних пристроях (наприклад, мультивібраторах , тригерах ), В підсилювачах і генераторах коливань СВЧ, а також зверненого діода, що застосовується в якості детектора слабких сигналів і змішувача СВЧ коливань. Їх ВАХ (рис. 4) істотно відрізняються від ВАХ інших П. д. Як наявністю ділянки з «негативною провідністю», яскраво вираженою у тунельного діода, так і високу провідність при нульовій напрузі.
До П. д. Відносять також ПП прилади з двома висновками, які мають некеровану чотиришарову р-n-р-n -структуру і називають діністоров (див. тиристор ), А також прилади, що використовують об'ємний ефект доменної нестійкості в ПП структурах без р-n-переходу - 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-переходу. Властивість р-i-n -Структури змінювати свої електричні характеристики під дією випромінювання використовують, зокрема, в фотодиодах і детекторах ядерних випромінювань , Влаштованих т. О., Що фотони або ядерні частинки можуть поглинатися в активній області кристала, що безпосередньо примикає до р-n-переходу, і змінювати величину зворотного струму останнього. ефект випромінювальної рекомбінації електронів і дірок, що виявляється в світінні деяких р-n -переходів при протіканні через них прямого струму, використовується в світлодіодах . До П. д. Можуть бути віднесені також і напівпровідникові лазери .
Більшість П. д. Виготовляють, використовуючи планарно-епітаксійних технологію (див. Планарная технологія ), Яка дозволяє одночасно отримувати до декількох тисяч П. д. В якості напівпровідникових матеріалів для П. д. застосовують головним чином Si, а також Ge, GaAs, GaP і ін., в якості контактних матеріалів - Au, Al, Sn, Ni, Cu. Для захисту кристала П. д. Його зазвичай поміщають в метало-скляний, метало-керамічний, скляний або пластмасовий корпус (рис. 5).
В СРСР для позначення П. д. Застосовують шестизначний шифр, перша буква якого характеризує використовуваний напівпровідник, друга - клас діода, цифри визначають порядковий номер типу, а остання буква - його групу (наприклад, ГД402А - германієвий універсальний діод; КС196Б - кремнієвий стабілітрон) .
Від своїх електровакуумних аналогів, наприклад кенотрона , газоразрядного стабилитрона , індикатора газоразрядного , П. д. Відрізняються значно більшими надійністю і довговічністю, меншими габаритами, кращими технічними характеристиками, меншою вартістю і тому витісняють їх в більшості областей 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. невіддільний від всієї конструкції пристрою.
Про історичні відомості див. У ст. напівпровідникова електроніка .
Літ .: Напівпровідникові діоди. Параметри. Методи вимірювань, М., 1968; Федотов Я. А., Основи фізики напівпровідникових приладів, М., 1970; Пасинків В. В., Чиркин Л. К., Шинків А. Д., Напівпровідникові прилади, М., 1973; Зі С. М., Фізика напівпровідникових приладів, пер. з англ., М., 1973.
Ю. Р. Носов.
Мал. 4. Вольтамперні характеристики тунельного (1) і зверненого (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 * oбр і I * oбр - максимальне допустиме зворотна напруга і відповідний зворотний струм; Ucт - напруга стабілізації.
Мал. 3. Малосигнальная (для низьких рівнів сигналу) еквівалентна схема напівпровідникового діода з р - n-переходом: rp-n - нелінійне опір р - n-переходу; rб - опір об'єму напівпровідника (бази діода); ryт - опір поверхневих витоків; СБ - бар'єрна ємність р - n-переходу; Сдіф - дифузійна ємність, обумовлена накопиченням рухомих зарядів в базі при прямій напрузі; Ск - ємність корпусу; Lк - індуктивність токоподводов; А та Б - висновки. 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 діод; 4 і 5 - діодні матриці; 6 - імпульсний діод. Корпуси діодів: 1 і 2 - метало-скляні; 3 і 4 - метало-керамічні; 5 - пластмасовий; 6 - скляний.
Мал. 1. Структурна схема напівпровідникового діода з р - n-переходом: 1 - кристал; 2 - висновки (струмопідведення); 3 - електроди (омические контакти); 4 - площина р - n-переходу.