Общие сведения и классификация полупроводниковых диодов. Принцип действия, параметры и характеристики полупроводниковых диодов.

Вопросы лекции:

Выпрямительные диоды.
Стабилитроны.
Туннельные диоды.
Диоды Шоттки.
Светодиоды.
Магнитодиоды.

Полупроводниковые диоды

На прошлом занятии мы рассмотрели работу п-р-перехода при приложении к нему напряжения источника питания в прямом и обратном направлении.

Принцип работы п-р-перехода положен в основу различных диодов. На сегодняшний день разработаны приборы различного назначения: стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, обращенные диоды, фотодиоды.

В стабилитронах кристаллы полупроводника имеют неоднородную примесь. В торцы пир кристаллов диффузионным методом включают зоны повышенной проводимости. Эти зоны могут проникать в кристалл на различную глубину.

В результате при подключении обратного напряжения к п-р-переходу возникает режим, в котором контактная разность потенциалов достигает этой зоны, возникает восстанавливаемый пробой п-р-перехода. В этом режиме происходит лавинное размножение носителей тока, связанное с ударной ионизацией, резко возрастает проводимость кристаллов. По этому принципу работают существующие стабилитроны. Они имеют ВАХ, которая показана на рис. 1.8, а.

В кристалл с р-примесями диффузионным методом вносятся n-примеси, а в кристалле с п-примесями создают слой р-примесей. Соединяют эти кристаллы. В результате образуется контактная разность потенциалов с двумя максимумами. Приложенное внешнее поле вызывает сближение острых пиков: в кристалле р - плюсовой ток, в кристалле п - минусовой ток. Взаимодействие двух концентраций носителей тока вызывает появление в кристалле и во внешней цепи тока в прямом направлении. Этот ток достигает максимального значения, когда пики полностью перекрываются (рис. 1.8, б). Дальнейшее сближение пиков приведет к уменьшению внешнего тока. После этого начинают взаимодействовать пики контактной разности потенциалов, образованные примесями в кристаллах. Начинает протекать диодный ток в прямом направлении. В результате формируется ВАХ туннельного диода. Если приложить к кристаллам напряжение в обратной полярности, то диффузионные примеси также приведут к появлению внешнего тока. У туннельных диодов отсутствует явление закрывания п-р-перехода. Величина пика ВАХ туннельного диода зависит от количества диффузионной примеси. При малой примеси можно свести пик тока ВАХ к минимальному значению. Он может незначительно увеличить прямой ток выпрямительного диода. Однако при минимальных значениях пикового тока в обратном направлении эта структура будет проводить ток. В результате получается обращенный диод.

Теперь рассмотрим полупроводниковую структуру, в которой примеси п и р создают незначительную проводимость. Диффузионным способом в кристалле с р-примесями создается малая зона большой концентрации p-примесей. Для кристалла с n-примесями также создаётся область n-примесей большой концентрации.

Приложенное напряжение в прямом направлении в этой структуре вызовет протекание тока в прямом направлении (рис. 1.8, в). Протекающий ток через участок с контактной разностью потенциалов будет проходить неоднородное электрическое поле. Электрон на этом участке будет менять скорость. Это изменение вызовет появление излучения светового сигнала. В результате из п-р-перехода будет исходить свет. Этим свойством обладают светодиоды. Вольт-амперная характеристика светодиодов отличается от ВАХ выпрямительных диодов наличием значительного сопротивления в прямом направлении.

Диоды Шотки образуются на основе контакта металл-полупроводник n-типа (рис. 2.3, г). В приконтактной зоне в слое полупроводника образуется не скомпенсированный электронами положительный заряд ионов донора. Этот заряд образует разность потенциалов, препятствующую переходу электронов в металл. Так как в этой области число основных носителей значительно меньше, чем вдали от контакта, то она обладает повышенным сопротивлением, практически равным всему сопротивлению диода. В результате потенциальный барьер образован одной положительной зоной, вследствие чего порог открывания диодов Шотки имеет величину, близкую к 0,3 В.

Внешнее напряжение, приложенное плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, складывается с контактной разностью потенциалов. При этом еще больше обедняется носителями приконтактный слой, увеличивается его сопротивление. В диодах Шотки заряд переносится основными носителями. Следовательно, эти диоды менее инерционны, чем диоды, образованные на n-p-переходах. Время переключения этих диодов может достигать сотых долей наносекунды.

А теперь обратим внимание на поведение п-р-перехода при обратном подключении внешнего источника. За счет внешнего напряжения пики контактной разности потенциалов будут перемещаться вглубь кристалла. Поведение этих пиков в кристалле можно отождествить с обкладками конденсатора. Емкость конденсатора зависит от расстояния между пиками, и она управляется внешним постоянным напряжением. При малом внешнем постоян ном напряжении емкость максимальна, а при большом напряжении емкость становится незначительной. Прибор с такими характеристиками является варикапом.

На основе п-р-перехода можно создать восемь приборов (рис. 1.8, д). Кроме перечисленных диодов разработан магнитный диод. Магнитодиодным эффектом называется резкое изменение электрического сопротивления диода с длинной базой в результате воздействия на него поперечного магнитного поля. Конструкция диода показана на рис. 1.8, е.

Характеристика диода приведена на рис. 1.8, ж. При воздействии на диод магнитного поля сопротивление полупроводниковой пластины увеличивается. Относительное изменение сопротивления диода в слабых магнитных полях описывается выражением R_д = R₀· (1 + β_п·B²). На рис. 1.8, зприведена зависимость этого сопротивления от величин магнитного поля - В, β_п - коэффициент пропорциональности.

Контрольные вопросы

1. Какие разновидности диодов вы знаете?

2. Что такое ВАХ диода?

3. Какие диоды называются выпрямительными.

4. Чем отличаются стабилитроны от стабисторов?

5. Какой принцип положен в основу варикапов?

6. Чем отличаются выпрямительные диоды и диоды Шоттки?

7. Чем отличаются ВАХ обычных и туннельных диодов?

8. Какие диоды называются обращёнными?