Полупроводниковые приборы

Рис.1

Исторически маркировка содержала два или три элемента :

-1- буква Д - диод,

-2- число - область применения или назначение по 100:

001-100 - точечно-контактные Ge;

101-200 - точечно-контактные Si;

201-300 - плоскостные Si;

301-400 - плоскостные Ge;

401-500 - смесительные;

501-600 - умножительные;

601-700 - видеодетекторы;

701-750 - параметрические Ge;

751-800 - параметрические Si;

801-900 - стабилитроны;

901-950 - варикапы;

951-1000- тунельные;

1001-1100-столбы,

-3 - буква А - Я - разновидности параметров прибора.

С 1964 года маркировка состояла из четырех элементов :

-1 - цифра или буква - материал 1, 2, 3, Г, К, А.

-2 - буква - подкласс приборов :

Д - выпрямительные, универсальные, импульсные;

В - варикапы;

А - СВЧ диоды;

Ф - фото;

Н - диодные тиристоры;

У - триодные тиристоры;

И - тунельные;

С - стабилитроны;

Ц - столбы (маломощные 101-199, средней мощности 201-299) и блоки (маломощные 301-399, средней мощности 401-499, мощные 501-599);

-3 - трехзначное число в пределах подкласса, указывающее назначение или электрические свойства (от 101 до 999). В каждом подклассе выдерживаются свои пределы.

-4 - А - Я- разновидность типа прибора.

С 1973 года маркировка содержит четыре элемента :

- расширен второй элемент :

Л - излучатели;

Г - генераторы шума;

Б - диоды Ганна;

К - стабилизаторы тока.

Дополнены третьи элементы

-3 - (от 101 до 999) в пределах каждого подкласса - расширены пределы в подклассах диодов, варикапов, тиристоров.

-4 - то же что и было.

С 1981 года маркировка содержит пять элементов :

-1 - дополнен 4 - индий (соединения) - буква «И»;

-2 - дополнен «0» оптопары;

-3 - разделился на 3 и 4, где новое 3 - цифра от 1 до 9 в пределах каждого подкласса, описывающая прибор в данном подклассе.

-4 - порядковый номер разработки 01-99 - в общем то же что и было в старом 3. Допускается и в 4 использовать трехзначные цифры от 101 до 999 - расширено.

-5 - А - Я - кроме букв, сходных с цифрами 0, 3, 4.

Дополнительные элементы:

Буква «С» после - 2 - сборка.

Цифра 1 -6 - после - 5 - для бескорпусных приборов- модификация конструкции.

Буква «Р» после - 5 - для СВЧ диодов с парным подбором

Буква «Г» - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - с четверками

Буква «К» - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - с шестерками.

По области применения назначения различают: выпрямительные, универсальные (ВЧ и СВЧ), импульсные, опорные (стабилитроны), лавино-пролетные, свето и фото диоды, полупроводниковые лазеры, модуляторы инфракрасного излучения, детекторы радиации, СВЧ переключатели и др.

Во всех перечисленных приборах можно выделить, как было сказано выше, собственно выпрямляющий контакт и объем полупроводникового материала, через который протекает ток и внешнее напряжение подводится к переходу. Зонные диаграммы неравновесных диодов аналогичны приведенным на рис.1.15, где а - Евн = 0; б - Едиф. совпадает с внешним ЭП - обратносмещенный диод; в - Евн - против Едиф - прямое смещение. При этом ширина обедненной области определяется (67)

и в случае б - l1 увеличивается, в - l1 уменьшается. С учетом влияния rб выражение (73) можно уточнить, при этом ВАХ изменится

I = I0(eq(U - rбI) - 1) ; Т = 300 К, q/kT 40 В-1. (78)

В пограничном слое, как мы отмечали ранее, у выпрямляющего контакта происходит рекомбинация электронов и дырок при этом свободные электроны (в случае р-п- перехода) из зоны проводимости п-полупроводника занимают свободные уровни в валентной зоне р-полупроводника. В результате вблизи границы двух полупроводников, либо контакта полупроводника с металлом, как было сказано в предыдущем разделе, образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением (запорный слой). Толщина этого слоя обычно не превышает нескольких микрон.

Расширению запорного слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (величину потенциального барьера). Возникшая разность потенциалов к, которая создает в запорном слое ЭП напряженностью , препятствующее дальнейшему переходу электронов в полупроводник р-типа, а дырок в полупроводник п-типа. В условиях динамического равновесия, когда потенциальный барьер равен к, токи основных и неосновных носителей через p-n-переход равны и направлены навстречу друг другу. При этом суммарный ток через переход равен нулю и распределение неосновных носителей заряда в диоде имеет вид рис.1.11. Если к такому диоду приложено внешнее напряжение, которое создает в запорном слое ЭП, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Едиф, то это приведет лишь к расширению запорного слоя (так как отведет от контактной зоны и электроны и дырки рис.1.13,б).

В этом случае сопротивление диода велико и ток через него мал (обусловлен движением неосновных носителей заряда). Такое направление тока называется запирающим или обратным (U < 0).

При противоположной полярности источника напряжения внешнее электрическое поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя. Толщина запорного слоя при этом уменьшается и когда внешнее напряжение достигает 0,3 0,5 В исчезает совсем.

Сопротивление диода резко снижается и через него протекает большой прямой ток. В этом направлении сопротивление диода определяется (при большом прямом токе) только распределенным сопротивлением кристалла полупроводника (той его частью р или п концентрация примесей в котором меньше), его и называют сопротивлением базы .

2.Пробой перехода

Пробой является основной причиной выхода из строя диодов и может быть необратимым тепловым (при плохом теплоотводе) кривая 2 и обратимым - электрическим (кривая 1) на рис.4.

В общем случае различают три механизма пробоя диодов (р-п-переходов) при достаточно больших обратных напряжениях (ниже будет показано, что в прямом направлении диоды выдерживают 50 …. 100 - кратную перегрузку по току при краткосрочном воздействии, т.е. когда tимп< д):

туннельный;

лавинный;

тепловой.

Первые два связаны с увеличением напряженности ЭП в p-n-переходе, а третий с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

В основе туннельного пробоя (его еще называют Зенеровским, по имени автора открывшего и описавшего его) лежит туннельный эффект, т.е. прохождение электронов сквозь тонкий потенциальный барьер рис.5. Этот эффект обусловлен волновой природой электрона и состоит в том, что электрон может преодолевать потенциальный барьер не только при энергии, превышающей высоту потенциального барьера, но и при гораздо меньших энергиях.

Прохождение электрона сквозь барьер возможно, если барьер достаточно тонкий. Вероятность туннельного эффекта характеризуется экспонентой , где - ширина запрещенной зоны, d - его толщина. С этой вероятностью нужно считаться при значениях d 10 нм.

Напряжение туннельного пробоя пропорционально удельному сопротивлению базы , (где n, р [Ом·см] - удельные сопротивления соответствующих слоев).

Поэтому для повышения пробивного напряжения нужно использовать базы из достаточно высокоомного материала. Общий вид обратной характеристики при туннельном пробое показан на рис.6. В основе лавинного пробоя лежит эффект размножения носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода (напряженность ЭП приближенно оценивается как отношение обратного напряжения к ширине перехода. Пример: при ). Электроны и дырки, ускоренные ЭП на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома полупроводника рис.7,а.

Рис.7

В результате рождается новая электронно-дырочная пара, которая участвует в развитии процесса нарастания “лавины”. Обратный ток - возрастает. При увеличении напряженность ЭП, когда исходная электронно-дырочная пара в среднем порождает более одной пары, ионизация приобретает лавинный характер, подобно самостоятельному разряду в газе. Ток в этом случае ограничивается только внешним сопротивлением.

Ход ВАХ в области “размножения” вплоть до пробоя описывается полуимпирической формулой

,

где М - коэффициент ударной ионизации (лавинного умножения); I и U - модули обратных тока и напряжения; Uпроб - напряжение лавинного пробоя (при котором М = ).

Вид обратной ВАХ при лавинном пробое приведен на рис.7,б, а величина напряжения лавинного пробоя связана также с удельным сопротивлением базы

Значения показателя степени в для n-Si и р-Ge равно 5, для р-Si и n-Ge 3, а величины а и m соответственно равны

Зависимость Uпроб() более слабая, чем UZ(), поэтому при высоких значениям , когда Uпроб < UZ, пробой носит лавинный характер, а при низких, когда UZ < Uпроб - туннельный (см.рис.7,в)

Граничное значение пробивного напряжения, выше которого пробой лавинный, а ниже - туннельный, составляет около 5 В.

Одной из отличительных особенностей лавинного и туннельного пробоев является противоположные знаки температурного коэффициента пробивного напряжения рис.8.

Объясняется это тем, что напряжение туннельного пробоя прямопропорционально ширине запрещенной зоны, поэтому уменьшение величины З с ростом температуры вызывает снижение UZ. Напряжение лавинного пробоя находится в обратной зависимости от подвижности, поэтому уменьшение величины ( при преимущественном рассеянии на узлах решетки, на ионах примеси), вызывает увеличение Uпроб.

Оба типа пробоя находят практическое применение в так называемых кремниевых стабилитронах-приборах, предназначенных для стабилизации напряжения. Действительно, в область пробоя, как видно из рис.6 и 7,б напряжение слабо зависит от изменений тока, что и является функцией стабилизаторов напряжения.

Неполное постоянство напряжения связано с конечным наклонов ВАХ в области пробоя (ВАХ идет не совсем вертикально). Этот наклон характеризуют дифференциальным сопротивлением Rдиф.ст = dU/dI.

Для туннельного пробоя rдиф.ст= (UZ/I)Eпр.107; для лавинного пробоя rдиф.ст = (Uпроб/I)(1 - U/ Uпроб). (Например, при UZ = 3 В, I = 2 мА, Епр= 4 105 В/см, Uпроб = 10 В и U/ Uпроб = 0,98, то для туннельного стабилитрона Rдиф.ст = 60 Ом, а для лавинного Rдиф.ст = 100 Ом).

С ростом тока сопротивление Rдиф.ст уменьшается. В зависимости от площади перехода минимальное значение Rдиф.ст лежит в пределах от 2 - 10 Ом (при больших площадях) до 20 - 50 Ом (при малых площадях). (Стабилизация малых напряжений на прямой ветви ВАХ выполняют стабисторы.)

В основе теплового пробоя лежит саморазогрев при протекании обратного тока. С ростом температуры обратные токи ТG резко возрастают, соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д. Характерной особенностью ВАХ при тепловом пробое является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением: dU/dI<0 (на рис.9 участок ниже точки А). Напряжение теплового пробоя (в точке А) имеет следующую структуру

,

где Rt - тепловое сопротивление перехода (коэффициент пропорциональности в соотношении , где Тр-п температура перехода, Токр окружающая температура, Р - выделяемая в переходе мощность, Rt зависит от теплопроводности и геометрии кристалла и оценивается экспериментально.

Типичное значение Rt = 0,50 С/мВт и Iобр= 1010 А, тогда для Si Uт = 6107 В. Это значение Uт несравненно больше напряжений лавинного и туннельного пробоя.

Таким образом, тепловой пробой не имеет самостоятельного значения : он может начаться лишь тогда, когда обратный ток уже приобрел достаточно большую величину в результате лавинного или туннельного пробоя (так, при Iобр = 1 мА напряжение Uт снижается до 6 В).

3. Эквивалентная схема диода

В общем случае диод (на электрических схемах обозначается в соответствии с ГОСТ 730-77 в виде рис.10) можно представить эквивалентной схемой (рис.11), (которая исследуется в режиме малого синусоидального напряжения), где Lд и Ск - индуктивность выводов диода и емкость корпуса. Сп, rп - нелинейные емкость и сопротивление р-п-перехода, rб - сопротивление растекания диода или сопротивления базы. Индуктивность выводов Lд= (1 20) нГ, поэтому ее учитывают на частотах выше 100 МГц (когда Lд становится соизмеримым с прямым сопротивлением диода). Емкость Ск обычно меньше 0,3 0,5 пФ.

Для малого сигнала на низких частотах , где дифференциальное сопротивление диода в любой точке ВАХ определяемое выражением

.

Емкость Сп при прямом смещении диода состоит из барьерной емкости Сб и диффузионной Сд: Сп = Сб+Сд. Барьерная емкость Сб - это емкость конденсатора, обкладки которого разделены запорным слоем и отражает перераспределение зарядов в р-п-переходе (на рис.12 приведены зависимости барьерной емкости ступенчатого (а) и плавного (б) переходов от обратного напряжения).

Т.к. ширина запорного слоя изменяется с изменением обратного напряжения на диоде (67), барьерная емкость уменьшается с ростом обратного напряжения по закону

где С(0) - емкость диода при U = 0, к - контактная разность потенциалов,

n = (см.рис.12)

Если принять распределение зарядов в переходе ступенчатым типа п+-р, тогда протяженность заряда в базе - р, можно считать равной всей ширине перехода . При этом модуль этого заряда Q равен , где N концентрация примеси в базе; S - площадь перехода. Такой же (но положительный) заряд будет в эмиттерном n+- слое.

Если представить эти заряды расположенными на обкладках «конденсатора», то его емкость определится как Q/U. Учитывая, что заряд обусловлен не только внешним напряжением U, но и равновесной высотой барьера следует заряд делить на .

На практике чаще пользуются дифференциальной барьерной емкостью, которую получим, дифференцируя заряд по напряжению . Тогда с учетом (67) получаем удельную (на единицу площади) барьерную емкость

Полученное выражение достаточно точно при обратных напряжениях, поэтому пользуются модулем обратного напряжения , тогда

,

последнее выражение при упрощается

и для Si () дает Сб0 310-16(N/U)0,5.

(При N = 1016 см-3, U 4 В имеем Сб0 1,5 10-8 Ф/см2 = 150 пФ/мм2 и при S 102 мм2 Сб0 1,5 пФ).

Выражение для барьерной емкости плавного перехода получится аналогично вышеописанному, если учесть формулу

вместо (67) .

Диффузионная емкость Сд отражает перераспределение зарядов в базе диода и может быть определена как отношение изменения величины инжектированного заряда к изменению напряжения на р-п-переходе

,

где I - прямой ток через переход, время жизни инжектированных неосновных носителей.

График зависимости Сп = f(U) имеет вид рис.1 Разделение Сп на Сд и Сб в общем условное, но оно удобно на практике, поскольку при прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и соответственно - Сдиф, а при обратном - избыточные заряды в базе малы и главную роль играет - Сбар.

Отметим также, что обе емкости нелинейны: Сдиф зависит от прямого тока, а Сбар - от обратного напряжения.

Несмотря на то, что диффузионная емкость хорошо управляется напряжением, на практике она не используется из-за низкой добротности и сильной зависимости от температуры. Барьерная емкость при U<0 используется в варикапах (или параметрических диодах).

4. Переключающие свойства диодов

Полупроводниковый диод инерционен по отношению к достаточно быстрым изменениям тока или напряжения, поскольку любое новое распределение носителей устанавливается не сразу. Как известно, внешнее напряжение меняет ширину перехода, уровни инжекции и экстракции, а следовательно и заряды в области базы (роль зарядов в эмиттере мало существенна). Это обуславливает переходные процессы в диодах, т.к. определяет процессы, происходящие внутри р-п-перехода и в объеме полупроводника при быстром изменении напряжения или тока.

Рассмотрим результат воздействия ступенчатого напряжения большой амплитуды на диод, включенный в схему рис.13.

Мы уже знаем, что под воздействием положительного входного напряжения через диод протекает значительный прямой ток, величина которого определяется амплитудой импульса E1, сопротивлениями нагрузки Rн и диода Rпр в прямом направлении.

При этом в базе, вблизи р-п-перехода создается избыточная концентрация неосновных носителей заряда (которая во много раз может превышать равновесную концентрацию) уменьшающая сопротивление базы. Этот процесс модуляции сопротивления базы происходит не мгновенно, т.к. накопление дырок (либо электронов) в базе диода связано с относительно медленным процессом диффузии неосновных носителей от р-п-перехода вглубь базы.

Следует отметить, что сопротивление базы уменьшается не только из-за увеличения концентрации неосновных носителей, но и из-за увеличения концентрации основных носителей. Это связано с соблюдением принципа электрической нейтральности (сумма зарядов = 0).

По мере накопления неосновных носителей и уменьшения сопротивления базы происходит перераспределение всего внешнего напряжения между сопротивлением базы и р-п-переходом: падение напряжения на базе диода Uб уменьшается (рис.13,в), а на р-п-переходе Up-n - увеличивается (рис.13,г), вызывая увеличение уровня инжекции. При длительном прохождении прямого тока процесс инжекции уравновешивается процессом рекомбинации (интервал t2 t3).

Заметим, что число накопленных зарядов будет тем больше, чем больше ток через диод и время жизни неосновных носителей заряда.

Рис.13

При переключении входного напряжения (с прямого Е1 на обратное Е2) в момент времени t3 наблюдается резкое увеличение обратного тока (рис.13,д), т.к. ранее накопленные неосновные носители из базы возвращаются в область эмиттера. Сопротивление р-п-перехода еще равно нулю и ток Iобр.мах= Е2/(rб + Rн) (максимальный ток восстановления) ограничивается в основном сопротивлением rб и нагрузки. По мере протекания обратного тока количество избыточных носителей заряда в базе уменьшается как за счет «втягивания» их в эмиттерную область, так и за счет рекомбинации. При этом ток спадает до установленного значения I0, а обратное сопротивление возрастает до Rд обр.

Интервал времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное t3 и моментом, когда обратный ток достигает значения 1,1I0, называют временем восстановления обратного сопротивления (тока) и обозначают .

Процесс рассасывания накопленных носителей происходит значительно медленнее процесса их накопления, поэтому именно процесс рассасывания и определяет частотные свойства большинства диодов.

Если приложенное к диоду прямое напряжение в момент t3 резко уменьшится до нуля, то напряжение на диоде сначала также уменьшится скачком на некоторую величину Iпрrб, а затем будет спадать постепенно, т.к. избыточная концентрация в базе не может измениться мгновенно (рис.14).

По мере спада избыточной концентрации уменьшается остаточное напряжение. Этот процесс является самым медленным из выше рассмотренных переходных процессов, т.к. снижение количества избыточных носителей идет только за счет процесса рекомбинации.

Отметим, что наличие избыточной концентрации носителей заряда в базе приводит к снижению прямого сопротивления диода Rд.пр. После подачи импульса прямого напряжения электропроводность базы возрастает постепенно по мере наполнения ее носителями заряда. Интервал времени, за которое устанавливается прямое сопротивление диода до 1,1Rд.пр называется временем установления прямого сопротивления (напряжения) и обозначается .

Наибольшее импульсное сопротивление определяется как

Rи макс = Uпр имп/Iпр имп .

В случае приложения к диоду малого прямого напряжения (рис.15) эффектом модуляции сопротивления базы (из-за малого уровня инжекции) можно пренебречь. При этом сопротивление диода будет носить емкостной характер и напряжение на переходе в момент t1 будет равно нулю. Ток через диод определяется как . В процессе заряда емкость (С барьерная), напряжение на р-п-переходе и ток через диод достигают в момент t2 установившегося значения, определяемого величиной активной составляющей сопротивления р-п-перехода.

При переключении полярности входного напряжения, начинается процесс разряда (перезаряда) емкости Сб и напряжение на ней достигает установившего уровня через некоторое время (t4 t3). Ток через диод также зависит от времени, что характерно для емкостного сопротивления.

Таким образом, при больших плотностях тока через диод определяющим длительность переходного процесса является накопление неосновных носителей в базе при его прямом включении и их рассасывание при обратном, а при малых плотностях - заряд и разряд барьерной емкости. Оказывают на длительность переходных процессов и параметры внешней цепи Rн, Сп, Ri и др.

При измерении некоторых типов диффузионных быстродействующих диодов было обнаружено, что отношение (рис.16) может быть значительно выше, чем дает теоретическая оценка в 30 50 раз.

Проведенные исследования показали, что причиной изменения соотношения длительностей двух фаз переходного процесса является тормозящее электрическое поле, имеющиеся в базе всех диффузионных диодов.

Электрическое поле возникает вследствие неравномерности распределения примесей после диффузии, при этом направление его в базе таково, что оно препятствует движению дырок от р-n-перехода к омическому контакту. Вследствие этого заряд избыточных дырок в базе диффузионного диода перераспределяется таким образом, что основная его часть скапливается вблизи р-n-перехода.

При переключении на обратное напряжение, тормозящее поле продолжает «поджимать» дырки к р-n-переходу, что приводит к удлинению фазы высокой обратной проводимости. В момент, когда концентрация дырок у р-n-перехода спадает до нуля, полное количество избыточных дырок в базе оказывается ничтожным и вследствие этого фаза восстановления обратного сопротивления протекает очень быстро.

При создании достаточно сильного тормозящего поля удается повысить отношение 1/2 до 30 50 и переходная характеристика диода (с тормозящим полем) приобретает почти прямоугольный вид.

Диоды с тормозящим полем получили название диодов с резким восстановлением обратного сопротивления или диодов с накоплением заряда (ДНЗ).

На базе ДНЗ созданы диодные усилители с предельной частотной, превышающей 1 ГГц, формирователи импульсов пикосекундной длительности, эффективные генераторы гармоник гигагерцевого диапазона.

5. Выпрямительные плоскостные низкочастотные диоды

Такие элементы используются для: выпрямления переменных токов частотой 50 Гц-2кГц; развязки в электрических цепях; в цепях управления и коммутации; ограничения выбросов напряжений в схемах с индуктивными элементами; во всех сильноточных цепях, где необходим вентильный элемент и не предъявляется жестких требований к временным и частотным параметрам электрического сигнала.

В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют во много раз меньшие обратные токи чем германиевые. Такие диоды созданы с очень высокой величиной допустимого обратного напряжения (до 1500 4000 В), определяемой напряжением пробоя р-n-перехода. Для сравнения систем, что для германиевых диодов эта величина составляет 100 400 В.

Работоспособность диодов на основе GaAs способны работать до 200 и даже 800 оС, кремниевые диоды сохраняют работоспособность в интервале температур от ( 60) до +(125 175) оС, а германиевых от ( 60) до + (70 85) оС. Это обусловлено тем, что при температурах выше 85 оС тепловая генерация электронно-дырочных пар в германии становится столь значительной, что происходит резкое увеличение обратного тока, и эффективность работы выпрямителя падает.

Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды, которые дают возможность получить величину сопротивления в прямом направлении в полтора-два раза меньшую, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузке, т.е. мощность рассеиваемая внутри германиевого диода, будет во столько же раз меньше.

Основными методами получения плоскостных р-n-переходов для выпрямительных диодов являются сплавление и диффузия.

Переход сплавного кремниевого диода образуется вплавлением алюминия в кристалл кремния n-типа или вплавлением сплава олова с фосфором либо золота с сурьмой в кристалл кремния р-типа. При создании диффузионным методом используют диффузию фосфора в р-Si, либо диффузию бора в n-Si. Электронно-дырочные переходы большинства германиевых плоскостных диодов изготавливают путем вплавления индия в n-Ge.

Для маломощных кремниевых плоскостных диодов наибольшее распространение получил метод вплавления. Вместе с тем метод диффузии позволяет получать р-n-переходы большой площади, т.е. мощные диоды.

Характерные зависимости ВАХ германиевых и кремниевых диодов от температуры приводились на рис.1.17.

Конструкции маломощного Si кремниевого сплавного диода и мощного выпрямительного диода приведены на рис.17,а,б соответственно, где

1 кристалл,

2 припой,

3 кристаллодержатель;

4 - внешние выводы (гибкие у маломощных, балочные и винтовые у мощных);

5 корпус;

6 стеклянный изолятор;

7 внутренний проводник (Al, Cu).

В мощных диодах кристаллодержатель представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтовым выводом (для крепления к радиатору) и плоской внешней поверхностью для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом-радиатором. Размеры кристалла значительно больше, чем у маломощных диодов. Иногда между кристаллом и основанием помещают пластинку из вольфрама или ковара, имеющего примерно тот же коэффициент линейного расширения, что и кремний с целью снижения механических напряжений в кристалле при изменении температуры.

При необходимости получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение для одного диода, применяют параллельное включение однотипных диодов. Для выравнивания разброса величин прямых сопротивлений диодов Rпр последовательно подключают добавочные сопротивления Rдоб небольшой величины (рис.18,а).

В высоковольтных цепях используют последовательное соединение диодов при этом напряжение распределяется между всеми диодами. В этом случае, из-за различия величин Iобр отдельных диодов, большая часть приложенного напряжения будет падать на диоде с наименьшим обратным током и обратное напряжение может превысить допустимое Uобр.макс, что приведет к его пробою. Для искусственного выравнивания напряжений диоды шунтируют резисторами Rш, величины которых (все одинаковые) малы по сравнению с обратным сопротивлением диодов (рис.18,б). Определение величин этих сопротивлений можно произвести по формулам:

где Im амплитудное значение тока нагрузки, постоянный прямой ток; Uм - максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильной цепи; n число диодов; коэффициент 1,1 учитывает 10% разброс применяемых резисторов.

Для выравнивания обратных напряжений иногда используют шунтирование диодов конденсаторами. Применение емкостных шунтов обеспечивает равномерное распределение напряжений в широком диапазоне частот и не приводит к дополнительной потере мощности. Величины шунтирующих емкостей подбираются экспериментально.

Рис.18

При выпрямлении синусоидальных напряжений могут быть достигнуты различные величины постоянной составляющей. Так в одно-полупериодном - 0,318 Uвх, в двух-полупериодном 0,638 Uвх, в мостовых схемах = 1,3 Uвх (рис.19,а, б, в соответственно). Причем при правильно подобранной емкости нагрузки форма Uвых изменяется. Из осциллограмм напряжения на нагрузке понятно, почему максимально допустимое обратное напряжение на диоде оценивается минимально как 2Uвх (рис.19,г).

Рис.19

6. Выпрямительные точечные ВЧ диоды

При исследовании выпрямительных диодов обнаружено, что с повышением частоты величина выпрямленного тока значительно уменьшается (см. эквивалентную схему диода рис.11).

Частотные характеристики улучшаются при уменьшении площади выпрямляющего контакта и при снижении времени жизни неосновных носителей заряда. В диапазоне от 10-и до нескольких 100 МГц в качестве выпрямителей эффективно работают точечные диоды (площадь выпрямляющего контакта которых менее 105см2).

Сейчас выпускаются нашей промышленностью германиевые точечно-контактные ВЧ диоды (Uобр макс до 150В, Iпр до 50 мА), кремниевые (Uобр макс до 80 В, Iпр до 1,5 А), арсенид-галлиевые (Uобр макс до 10 В, Iпр до 30 мА) и др.

Следует отметить, что созданы плоскостные быстродействующие импульсные диоды (Д219, Д220, КД503 и др.), которые с успехом конкурируют в ВЧ схемах с точечными диодами.

Выпрямляющий контакт в точечных германиевых диодах получается путем прижима жесткой заостренной (электролитически) иглы из сплава вольфрама с молибденом к поверхности кристалла (n-Ge).

Радиус области соприкосновения менее 5 7 мкм. Для улучшения ВАХ и обеспечения ее стабильности используют электроформовку (пропускают импульс тока до 1 А) в результате сильного повышения температуры в месте контакта образуются термоакцепторы, которые из приконтактной области диффундируют вглубь кристалла и приводят к образованию р-п-перехода.

При изготовлении некоторых типов диодов на конец иглы наносят примесь, образующую акцепторные центры в германии (индий, алюминий). В результате электроформовки в этом случае в n-Ge образуется сильно легированная р-область.

ВАХ таких контактов в начальной части описывается формулой (73), а при значительном прямом токе определяется величиной сопротивления базы rб рис.20, которое можно оценить через величину удельного сопротивления полупроводника и радиус контакта а по формуле:

.

Кремниевые точечно-контактные диоды в конструктивном отношении не отличаются от германиевых (рис.21, где нумерация деталей соответствует рис.17). Но для них используют n-Si, а контактная пружина покрывается алюминием, что обеспечивает после формовки образование высококачественного р-п-перехода.

Рис.20 Рис.21

Основными электрическими параметрами выпрямительных (плоскостных и точечно-контактных) диодов при работе в ключевых, логических устройствах и в цепях постоянного тока являются следующие статические параметры:

прямок падение напряжения Uпр;

постоянный обратный ток Iобр;

максимально допустимый прямой ток Iпр макс и обратное напряжение Uобр макс;

динамические параметры (характеризующие работу диодов в выпрямительных схемах):

Iвыпр- среднее за период значение выпрямленного тока;

Uпр ср - среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока;

Iобр.ср- среднее за период значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения;

Uобр.ср - среднее за период значение обратного напряжения;

- диапазон частот, в пределах которого выпрямленный ток диода не снижается ниже заданного уровня.

Существует еще ряд параметров необходимых для расчета и конструирования схем. Это:

дифференциальное сопротивление Rдиф;

емкость диода Сд = (Сд + Сб) при заданном напряжении смещения и др.

К предельно допустимым эксплуатационным режимам относятся также:

максимальное значение выпрямленного тока Iпр.макс и обратного напряжения Uпр макс;

максимальная и минимальная температура окружающей среды;

максимальная мощность рассеивания Рмакс;

максимальное значение импульсного прямого и выпрямленного тока.

7. Импульсные диоды

Главным признаком, отличающим импульсные диоды, является малая площадь р-n-перехода и малое время жизни неравновесных носителей заряда. Свойства и параметры таких приборов определяются переходными процессами, рассмотренными в предыдущем разделе.

По способу изготовления р-n-перехода они подразделяются на точечные (сплавные и сварные) и диффузионные (меза и планарные). Структура таких переходов приведена на рис.3, соответственно а,б,в,г.

Важным параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления или тока обр (равное интервалу времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток достигнет заданного значения). По этому параметру диоды подразделяют на микросекундные 0,1 мкс < обр < 0,1 мкс и наносекундные обр < 0,1 мкс.

Наибольшее распространение получили диффузионные импульсные диоды. В этих приборах используется метод диффузии донорных или акцепторных примесей, которые проникая на некоторую глубину под поверхностью, меняют тип проводимости этой части кристалла, вследствие чего возникает р-n-переход. Для получения малой емкости осуществляют травление приповерхностных слоев полупроводника, в результате р-n-переход сохраняется лишь на очень малом участке, возвышающимся над кристаллом (это так называлась меза-структура - рис.3,в).

Другой разновидностью диффузионных диодов представляют собой планарные и планарно-эпитаксиальные приборы (рис.3,г). При их изготовлении диффузия активной примеси ведется (в Si) локально через «окно» в защитной окисной пленке. Получающиеся р-n-переходы отличаются высокой степенью однородности параметров и надежностью.

В таких диодах из-за плавного изменения концентрации примеси в области р-n-перехода и большой ширины области объемного заряда удельная емкость оказывается меньше, чем в структурах, полученных по сплавной технологии.

Важнейшей особенностью диффузионных диодов является существование в базе тормозящего поля, обусловленного неравномерным распределением примеси.

Усовершенствованием таких диодов в плане сокращения отношения величины 1/2 (см.рис.16) являются диоды с накоплением зарядов (ДНЗ).

Величина тормозящего поля в этих диодах оценивается как

,

где а - градиент концентрации; N - концентрация ионизированной примеси в данной точке базы.

Степень влияния этого поля на вид переходного процесса определяется соотношением величины Е(х) с диффузионной длиной дырок в базе Lр; для количественной оценки можно воспользоваться безразмерным коэффициентом

.

При создании ДНЗ для получения прямоугольной переходной характеристики стремятся максимально увеличить величину (среднего времени жизни дырок в n-области) р , определяющую тормозящее поле. Значение Еп в реальных ДНЗ больше 5.

Для характеристики инерционности импульсных диодов используют параметры аналогичные выпрямительным диодам:

Uпр, Iобр, Uобр макс, Iпр макс; Сд и ряд специфических параметров:

отрезок времени от момента прохождения тока чрез нуль (при переключении с прямого тока на обратное импульсное напряжение), до момента когда обратный ток диода уменьшается до заданного уровня (восст до 0,07 мксек и менее).

Uпр тип. макс - максимальное прямое импульсное падение напряжения на диоде при заданной величине импульса прямого тока (до1 В).

Iпр имп макс - максимально жопустимый импульсный ток через диод с оговоренной максимальной длительностью импульса, при котором обеспечивается заданная надженость диода при длительной работе (до 500 мА)

rпр макс максимальное импульсное сопротивление равное отношению наибольшего значения амплитуды импульса прямого напряжения на диоде к току, при котором производилось измерение (50100 Ом).

8. Параметрические и умножительные диоды

Полупроводниковые диоды при оптимальной их конструкции являются наиболее простыми и эффективными элементами с управляемой реактивной проводимостью на СВЧ, поэтому сегодня они практически вытеснили все остальные управляемые элементы из техники параметрического усиления и умножения частоты.

Требования к диодам для обеих применений оказались сходными, хотя и не идентичными. (Сама идея использования обратносмещенного р-n-перехода для этих целей была высказана советским ученым Б.М. Вулом в 1953 году).

Вид зависимости дифференциальной емкости от напряжения смещения определяется законом распределения донорных и акцепторных примесей в области перехода.

Практическое значение имеют два варианта распределения примесей - резкая граница между областями р- и п-типа полупроводниками и плавное распределение, характеризуемое постоянным градиентом распределения примесей в области перехода.

Как мы уже отмечали, общий вид зависимости можно представить следующим образом

,

где n = 1/3 - для плавного, n = 1/2 - для резкого р-п-переходов (см.рис.12)

Причем величина емкости диода может считаться безынерционной вплоть до частот 1011 Гц, а параллельная активная проводимость, из-за малой величины, может быть упрощена.

Эффект усиления в параметрическом усилителе, а также эффект умножения частоты как и транспонирующего преобразования возникает в результате воздействия мощного сигнала накачки на нелинейную емкость перехода.

Для количественной оценки данного эффекта пользуются понятием эффективного коэффициента модуляции емкости mд.

Максимальное значение этого коэффициента модуляции определяет критическую частоту диода Fкр , до которой его можно использовать

,

где Ср - значение емкости в рабочей точке.

Этот параметр удобен для оценки коэффициента шума (особенно важного для параметрических диодов), однако он не может быть измерен непосредственно.

Другим параметром, который часто используется для оценки качества диода, является предельная частота

,

на которой добротность уменьшается до «1».

Отечественные диоды принято характеризовать постоянной времени диода (измеряемой при U=10В) .

Эта величина может быть изменена экспериментально и позволяет оценить как значение rб, так и коэффициента шума любого параметрического устройства.

При использовании диодов в качестве умножителей наряду с ВЧ параметрами С, важным является максимально допустимое напряжение на диоде Uм, которое ограничивает мощность накачки и определяет максимально возможную выходную мощность.

Для повышения эффективности умножения частоты иногда применяют режим с приоткрыванием, однако при этом существенно возрастают шумы устройства.

Характерная ВАХ параметрического диода имеет вид рис.2

Можно показать, что для диодов с резким р-п-переходом величина определяется следующим образом ,а

для диффузионных плавных , где h - толщина базовой области, а - градиент концентрации в базовой области.

Для диодов с резким р-п-переходом максимальные теоретические значения предельных частот от напряжения пробоя показаны на рис.23.

9. Варикапы

полупроводниковый конденсатор диод

Варикап - полупроводниковый нелинейный управляемый конденсатор с минимальными потерями в рабочем диапазоне частот на базе р-п, р+-п-п+ -переходов и МДП структур. На электрических схемах обозначается как рис.24 (ГОСТ 730-73).

Рис.24

Изменяя напряжение смещения на таком приборе, можно обеспечить безынерционное управление резонансной частотой контура. Это позволяет создавать такие радиотехнические устройства как параметрические усилители; схемы умножения и деления частоты и др.

Свойство высокодобротной барьерной емкости р-п-перехода изменять свою величину связано с наличием объемного заряда в области потенциального барьера.

Если приложенное напряжение отпирает переход емкость (Cдиф) обусловлена диффузией неосновных носителей в базу. Величина этой емкости значительно больше барьерной. Режим работы варикапа при прямом смещении р-п-перехода характерен для схем умножения частоты. Практическому применению Cдиф (да и поверхностно-барьерной) емкости препятствует существенная зависимость от температуры и частоты, высокий уровень шумов и низкая добротность.

Барьерная емкость лишена указанных недостатков и широко используется во многих радиотехнических устройствах для :

усиления и генерации СВЧ колебаний (параметрические диоды);

умножение частоты в широком диапазоне, включая СВЧ (умножительные и преобразовательные диоды, работающие иногда и в области диффузионной емкости);

электронной перестройки частоты колебательных контуров (собственно варикап);

систем автоматики (варикап с большой емкостью).

Как было указано ранее, величина объемного заряда зависит от приложенного напряжения U, т.е. переход обладает некоторой емкостью

.

Решая уравнение Пуассона для одномерной модели, получаем для барьерной емкости

,

где S - площадь перехода;d - ширина перехода (области объемного заряда).

Таким образом Сб - равна емкости плоского конденсатора с площадью пластин, равной площади р-п-перехода и с расстоянием между пластинами, равным ширине области объемного заряда.

Если такой конденсатор включен в контур, в котором возбуждены колебания и его величина (емкости) изменяется с частотой вдвое превышающей частоту усиливаемых колебаний, то возможен рост амплитуды колебаний в системе. Необходимо только, чтобы емкость уменьшалась в момент прохождения напряжения на конденсаторе через максимум и увеличивалась в момент прохождения напряжения через нуль, т.е. рис.25.

Рис.25 Рис.26 Рис.27

Изменение барьерной емкости при изменении напряжения на р-п-переходе обусловлено перемещением основных носителей в областях n и p. Постоянная времени этого процесса определяется как (для Ge при =10-3 Ом м, =16 дает =1,4 10-13 сек) и оказывается заметной лишь на частотах более 10 Ггц.

Полная эквивалентная схема варикапа совпадает с рис.11 а ее упрощенные варианты для высоких и низких частот приведены на рис.28.

Рис.28 Рис.29

Из эквивалентных схем ясно, что диапазон рабочих частот может ограничиваться сопротивлениями rб и rп. Тогда, пренебрегая влиянием сопротивления rб на НЧ, получим, что добротность диода (отношение реакивного сопротивления к активному) возрастает с частотой, т.е.

,

а пренебрегая на ВЧ сопротивлением rn, что добротность убывает пропорционально частоте

.

Откуда задаваясь минимальным значением добротности несложно определить и границы рабочего диапазона частот fн - нижнюю и fв - верхнюю.

Понятно, что при работе на низких частотах требуются вариакапы со значительной величиной Сб, а в ВЧ и СВЧ диапазон - с малым значением как Сб так и rб. Можно показать, что fв не зависит от площади перехода, а определяется только параметрами исходного материала

,

где - толщина пластины полупроводника.

В варикапе на основе структуры метиалл-диэлектрик-полупроводник (МДП) рис.29 при нуле и отрицательном напряжение на металле, емкость определяется толщиной оксида кремния SiO При положительном напряжении на верхнем электроде p-Si обедняется носителями и емкость уменьшается.

При значительном положительном напряжении происходит инверсия электропроводности границы p-Si и емкость определяется последовательным соединением двух конденсаторов; одного на базе оксидной пленки, второго - p-n-перехода.

Для перестройки и умножения частоты можно использовать и ДНЗ, в эпитаксиальных вариантах которых применяются пленки с концентрацией примеси 1014 …1015 см-3 и толщиной порядка 1 мкм, при этом режим смыкания достигается почти при нулевых напряжениях на диоде (параметры ДНЗ : С = 0,1…n1 пФ, U0 = 0…50 В, kC = 3…6, Рмакс = 0,1…0,3 мВт).

Изменение емкости варикапа в рабочем диапазоне напряжений характеризуется коэффициентом перекрытия Смакс/Смин = kC.

Важными параметрами также являются:

максимально допустимая мощность рассеиваемая на варикапе Рмакс;

ТКД температурный коэффициент добротности (относительное изменение добротности при изменении температуры на 10С)

ТКЕ - температурный коэффициент емкости (С = f(T0), при изменении T на 10С)

Uмакс - максимально допустимое напряжение;

Qном - номинальная добротность (xc/rпотерьU0=const, f=const);

Смин, Смакс, Сном - соответствующие значения емкости (при максимальном смещении, минимальном и номинальном).

Конструкции варикапов имеют вид аналогичный 17,а и различные СВЧ и ВЧ варианты (см. СВЧ диоды), включая различные бескорпусные реализации.

Для ВЧ и СВЧ варикапов используют п-GaAs, n-Ge, а с целью повышения пробивного напряжения применяют сложные структуры с низкоомным и высокоомным базовыми слоями структуру типа р+-п-п+.

10. Стабилитроны и стабисторы

Как было отмечено, при изучении пробоев перехода, особенностью плоскостных (особенно кремниевых) диодов является резкое изменение обратного тока при малых изменениях обратного напряжения в области сильных полей. Это свойство использовано для создания приборов - стабилитронов (обозначение на схемах рис.30,а) - диодов на ВАХ которых имеется участок со слабой зависимостью напряжения (Uст) от величины протекающего тока рис.31.

Рабочий участок стабилитронов находится в области электрического пробоя р-п-перехода (а-б) для случая лавинного пробоя кривая 1, а для туннельного - кривая

Рис.31

Стабилитроны в основном изготавливаются на основе полупроводниковых материалов с большой электропроводностью, величина обратного тока которых мала (доли мкА), причем для узких р-п- переходов при низких обратных напряжениях (менее 5 В) из-за большой напряженности электрического поля имеет место туннельный (зинеровский) пробой, а при большой ширине р-п- перехода пробой носит лавинный характер и происходит при значительно меньшей напряженности электрического поля в переход. Лавинный пробой чаще используется для создания стабилитронов, причем лучшим качество обладают приборы на основе кремния.

Различают стабилитроны общего назначения и прецизионные. Первые применяются в стабилитронах и ограничителях постоянного или импульсного напряжения, кроме того, в качестве элементов межкаскадной связи в усилителях, релаксационных генераторах, как выпрямители, управляемые емкости, шумовые генераторы. Прецизионные - в качестве источников эталонного или опорного напряжения для схем требующих высокостабильного питания.

Для улучшения стабилизирующих свойств необходимо, чтобы полупроводниковый материал обладал малым дифференциальным сопротивлением в области пробоя. Характерная зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов от напряжения (КС168А) и тока (КС147А) стабилизации приведены на рис.3

Рис.32

Отметим, что стабилитроны работают всегда на какую-то нагрузку Rн, подключаемую параллельно диоду (рис.33).

Рис.33

При этом амплитуда напряжения питания Е определяется через известное напряжение стабилизации Uст и уровень тока стабилизации Iст и нагрузки Iн следующим образом

Е = Uст + R(Iн + Iст).

Тогда изменение напряжения на нагрузке при пульсациях питающего напряжения определится как

,

т.к. ,

т.е. при

Таким образом при увеличении входного напряжения резко уменьшается (см.рис.33) сопротивление стабилитрона, вследствие чего избыточное напряжение падает на сопротивлении R, а напряжение на нагрузке Ucт остается практически постоянным.

Необходимо отметить, что у стабилитронов с лавинным механизмом пробоя в области формирования пробоя (при токах 0,1 1,0 мА) наблюдаются спонтанные флуктуации тока и напряжения, т.е. шумы.

Эти флуктуации вызываются образованием и возникновением «микроплазм» - участков перехода, в которых развивается пробой. Пробой в микроплазмах носит неустойчивый характер. Эффективное напряжение шума на стабилитроне (при питании его от генератора тока) достигает нескольких сотен микровольт. Спектр шума равномерный в диапазоне 0 - 20 кГц. (У стабилитронов с туннельным механизмом пробоя шума не возникает).

При увеличении тока лавинный процесс становится устойчивым и шумы исчезают.

Пределы тока ограничены снизу устойчивостью тока (т.е. процессами в плазме), а сверху - допустимой для прибора мощностью рассеяния.

Следует отметить, что поскольку режим пробоя не связан с инжекцией неосновных носителей, в этих приборах отсутствуют инерционные явления (рассасывание и накопление носителей) при переходе из области пробоя в область запирания и обратно. Эта особенность позволяет использовать стабилитроны в импульсных схемах : ограничителях и фиксаторах уровней. Причем в этом случае прибор совмещает функции источника фиксированного напряжения и диода с резким изломом ВАХ. Применяются они также в качестве шунтов, защищающих от перенапряжений, в качестве элементов межкаскадных связей в УПТ, триггерах и др. схемах.

Конструктивно стабилитроны оформляют аналогично выпрямительным диодам. Выпускаемые стабилитроны это в основном кремниевые приборы с Uст от 5 до 400 В на мощность от 250 мВт до 50 Вт.

Разработаны и выпускаются стабилитроны с симметричными ВАХ для защиты от перенапряжений обеих полярностей. Они представляют собой два р-пперехода, включенных встречно (диффузия примесей одновременно с двух сторон пластинки Si).

Основными параметрами стабилитронов являются

ток стабилизации Iст (минимальное значение определяется устойчивым характером лавинного процесса),

напряжение стабилизации Uст;

динамическое сопротивление (в рабочей точке);

статическое сопротивление R=U/I в рабочей точке; (определяет потери в диоде);

коэффициент нелинейности ( отношение относительного изменения тока через стабилитрон к вызвавшему его относительному изменению напряжения) - для лучшей стабилизации величина должна быть как можно большей (обычно = 20 100).

температурный коэффициент напряжения стабилизации

он может быть как положительным, так и отрицательным причем: в слабо легированных кристаллах основной причиной температурных изменений величины Uст является температурная зависимость длины свободного пробега носителей; в сильно легированных пробой носит туннельный характер, а вероятность туннельного перехода возрастает с увеличением температуры. Поэтому низковольтные стабилитроны имеют ТКUст отрицательный.