Напівпровідникові діоди

 

Напівпровідниковий діод - прилад з двома виводами, що містить один електронно-дірковий перехід.

У напівпровідникових діодах використовується властивість односторонньої провідності (струм проходить тільки в одному напрямі) обумовлюється застосуванням структури, що поєднує в собі два шари, один з яких має діркову (p) - (анод), а інший - електронною (n) - (катод) провідністю. Принцип дії напівпровідникового діода грунтується на специфіці процесів, що протікають на межі розділу p, - і n- шарів, в так званому електронно-дірковому переході (p-n- переході).

Достоїнства:

1 малі габаритні розміри і маса;

2 високий ККД (понад 99%);

3 відсутність розжарюваного джерела електронів;

4 необмежений термін служби (при виконанні правил експлуатації);

5 висока надійність.

 

Вольт-амперна характеристика ідеального діода.

 

Вольт-амперна характеристика ідеального діода приведена, дивись на рисунок 1.7 і має вигляд відрізків прямих, співпадаючих з а при додатку до ідеального діода зворотної напруги його зворотний струм дорівнює нулю.

 

Рисунок 1.7 - ВАХ ідеального діода

 

Вольт-амперна характеристика реального діода показана на
рисунках 1.8 і 1.9

 

 

 

Пряма гілка ВАХ реального діода відрізняється від ВАХ p-n переходу із-за наявності об'ємного опору шарів напівпровідника, прилеглих до p-n- переходу. На рисунку 1.8 показана ВАХ діода, отримана підсумовуванням ВАХ
p-n- переходу і ВАХ об'ємного опору шарів напівпровідника, прилеглих до
p-n- переходу.

Відмінність зворотної гілки ВАХ p - n- переходу від ВАХ реального діода обумовлено наявністю двох чинників:

1) струмом витоку через p-n- перехід

2) додатковою генерацією носіїв заряду

Обидва чинники призводять до того, що зворотна гілка вольт-амперної характеристики діода набирає вигляду, показаного на рисунку 1.9.

Внаслідок наявності різних забрудників (пил і тому подібне) на зовнішній поверхні p-n- структури підвищується її поверхностна електрична провідність і при наявності зворотної напруги виникає зворотний струм крізь діод – струм витоку. Струм витоку пов'язаний лінійною залежністю з напругою . Ця складова зворотного струму обумовлює появу похилої ділянки 1-2 на характеристиці діода, рисунок 1.9.

Вплив генерації носіїв заряду в p-n- переході зазвичай позначається при підвищеній зворотній напрузі. Воно проявляється спочатку у вигляді деякого зростання зворотного струму у міру зростання зворотної напруги
(ділянка 2-3), а потім в різкому зростанні зворотного струму (ділянка 3-5), викликаним пробоями p-n- переходу.

Залежно від причин, що викликають появу додаткових носіїв заряду в p-n- переході, розрізняють електричний пробій, що проявляється на ділянці 3-4, і тепловий пробій, що проявляється на ділянці 4-5. Електричний пробій, у свою чергу, може бути лавинним або тунельним.

Можливість теплового пробою p-n- переходу враховується вказівкою в паспорті на прилад допустимої зворотної напруги і температурного діапазону роботи. Величина допустимої зворотної напруги встановлюється (0,5¸0,8) U_пр.

Напівпровідникові діоди підрозділяються на:

- випрямні;

- імпульсні;

- тунельні;

- фотодіоди;

- випромінюючі (світлодіоди);

- варикапы;

- високочастотні;

- універсальні.

 

Випрямні діоди

 

Випрямними називаються діоди, призначені для випрямлення змінного струму низьких частот. За величиною граничного прямого струму розрізняють:

- діоди малої (до 0,3 А),

- середньою (від 0,3 до 10 А)

- великій (понад 10 А) потужності.

У випрямних діодах використовується властивість односторонньої провідності p-n- переходу. Умовне графічне позначення випрямного діода показане на рисунку 1.10, а (клин вказує напрям найбільшої провідності).

Основними параметрами випрямних діодів є:

- постійна пряма напруга при заданому прямому струмі ;

- постійний зворотний струм при заданої зворотної напрузі ;

Граничні можливості діодів характеризуються:

- постійним (чи середнім) прямим струмом ();

- максимально допустимою зворотною напругою (10 до 1000 В).

 

 

Рисунок 1.10 - Випрямний діод

 

Випрямні властивості діода характеризуються відношенням зворотного опору до прямого . Чим це відношення Проте при роботі випрямного діода на високих частотах або при швидких перемиканнях окрім активних опорів і необхідно враховувати також його ємнісні опори, які можуть значно погіршити випрямні властивості діода. Зменшення опору назад-зміщеного p-n- переходу на високих частотах пояснюється наявністю у нього бар'єрною і дифузійною місткостей.

Детальніше розглянемо використання випрямних діодів у випрямних облаштуваннях систем електроживлення.

Мінімальну дифузійну місткість має перехід напівпровідник-метал (діод Шотки), оскільки час життя електрона в металі мінімально. Діоди Шотки мають приблизно таку ж ВАХ, як і інші випрямні діоди.

 

Діод Шотки

 

Діод Шотки - напівпровідниковий діод, випрямляючі властивості якого грунтовані на використанні випрямляючого електричного переходу між металом і напівпровідником (працюють на основних носіях заряду, що істотно дозволяють зменшити їх інерційність и збільшити швидкодію

ВАХ діода Шотки зображена на рисунку 1.11.

 

Рисунок 1.11 – Вольт-амперна характеристика діода Шотки

 

Час перемикання діодів Шотки із замкнутого стану у відкрите і навпаки визначається малою величиною бар'єрної місткості, 0,01пФ, що не перевищує.

Достоїнства:

- можливість набуття менших значень прямого опору контакту, оскільки металевий шар за цими властивостями перевершує будь-який шар напівпровідника;

- малий прямий опір і невелика бар'єрна місткість дозволяє працювати на надвисоких частотах (5-250 ГГц):

- мають високу швидкодію, тобто малим часом переходу із стану, що проводить, в непровідне, і назад (час перемикання менше 0,1 нс);

- порівняно з кремнієвими діодами, мають менше на 0,3÷0,5В пряме падіння напруги, на 2-3 порядки більше зворотні струми - струми малі - декілька мкА, зворотна напруга 10-1000 В.

Переважне застосування діодів Шотки - низьковольтні випрямлячі.

 

Тунельні діоди

 

Тунельні діоди - напівпровідниковий діод, в якому використовується тунельний механізм перенесення носіїв заряду через p-n- перехід (електрони проходять через потенційний бар'єр p-n- переходу, не змінюючи своєї енергії) і в характеристиці є область негативного диференціального опору.

Відмітною особливістю тунельного діода є висока концентрація домішок в областях p - і n- типу, у зв'язку з чим такий напівпровідник вироджується в напівметал (властивості металів). У виродженому напівпровіднику енергетичні рівні домішкових атомів утворюють зони, які зливаються з відповідними зонами областей p - і n- типу.

Із-за високого вмісту домішок p-n- перехід тунельного діода має дуже малу ширину, що призводить до значного підвищення напруженості електричного поля в переході, тобто нижня частина зони провідності і верхня частина валентної зони розділені вузькою забороненою зоною і електрони мають можливість переходити з однієї не долаючи при цьому потенційний бар'єр. Це явище називається тунельним ефектом.

При збільшенні від нуля прямої напруги число електронів, проникаючих з p- напівпровідника в n- напівпровідник, зменшується, тоді як число електронів, що рухаються у зворотному напрямі, не змінюється, що призводить до появи прямого струму, який збільшується із зростанням прямої напруги. Прямий струм досягне свого максимального значення, точка в на графіці рисунок 1.12.

 

Рисунок 1.12 – Вольт-амперна характеристика тунельного діода

 

При подальшому збільшенні прямої напруги прямий тунельний струм почне зменшуватися (зменшується напруженість електричного поля в p-n- переході), оскільки за відсутності потоку електронів з p- в n- напівпровідник зменшується потік електронів, що тунелюють у зворотному напрямі.

Мінімального значення прямий струм, точка г на графіці рисунку 1.12 досягне тоді, коли дно зони провідності напівпровідника n- типу порівняється із стелею валентної зони напівпровідника p -типа. При зростанні прямої напрузі правіше точки г, рисунок 1.12, тунельний перехід носіїв заряду припиняється, а збільшення прямого струму пояснюється переміщенням основних носіїв заряду через p-n- перехід шляхом подолання потенційного бар'єру тобто ділянка характеристики правіше за точку г є дифузійною ділянкою ВАХ тунельного діода.

Достоїнства:

- відрізняється високою швидкодією;

- здатністю працювати при підвищених рівнях радіації і в широкому діапазоні температур (дуже низьких і високих);

- висока робоча частота із-за миттєвого тунельного переходу - до 10¹¹ Гц;

- мала споживана потужність.

Одностороння провідність p-n- переходу при тунельному ефекті повністю відсутній.

 

Фотодіодів

 

Фотодіод - фотогальванічний приймач випромінювання без внутрішнього посилення

Фотодіоди можуть працювати в режимах:

- із зовнішнім джерелом живлення - фотодіодному (фотоопору) при назад зміщеному p-n- переході, дивись рисунок 1.13, а;

- без зовнішнього джерела - вентильний (генератора фотоЕДС), рисунок 1.13, г.

 

 

а) режим фотоопору; б) сімейство вольт-амперних характеристик;
в) и д) світлові характеристики в режимі фотоопору;
г) режим генератора фотоЕДС

 

Рисунок 1.13 – Фотодіод

 

У режимі фотоопору і у відсутності освітлення (світловий потік Ф = 0) зворотна гілка ВАХ фотодіода, дивись рисунок 1.13,б така сама, як і у випрямного діода. Незначний зворотний струм, що протікає при цьому, утворений неосновними носіями заряду, називається темновим струмом. Із зростанням світлового потоку (Φ > 0), що падає на p-n- перехід струм діода збільшується, в
p-n- переході відбувається фотогенерація пар електрон-дірка, тобто збільшення числа як основних, так і неосновних носіїв заряду, причому відносно останніх це буде істотне зростання, оскільки при Φ = 0 неосновних носіїв заряду в p- і n- напівпровіднику трохи. Ці додаткові неосновні носії заряду під дією прикладеної до діода зворотної напруги створять в зовнішньому ланцюзі фотострум, величина якого прямо пропорційна світловому потоку Φ, як це видно зі світлової характеристики, зображеної на рисунку 1.13,в. Це приводить до збільшення струму в ланцюзі.

Якщо зворотна напруга перебільшить допущено значення, то в p-n- переході виникає ефект лавинообразного розмноження носіїв заряду, який може привести до виходу фотодіода з ладу.

У вентильному режимі у фотодіоді під дією світлового потоку виникає ЕДС, тому він не потребує стороннього джерела напруги. У цьому режимі що утворилися в p-n- переході під дією світла вільні електрони будуть втягнуті полем p-n- переходу в n- область напівпровідника, а дірки - в p- область, створюючи на виведеннях фотодіода ЕДС, під дією якої в зовнішньому ланцюзі потече струм. Світлова характеристика в цьому режимі буде лінійною тільки при опорі навантаження , дивись рисунок 1.13,д, а при вона викривляється, причому тим більше, чим більше опору навантаження.

Основним параметром фотодіода є чутливість, визначувана як приріст фотоструму при зміні світлового потоку в 1 люмен (у режимі генератора фотоЕДС - при ).

Достоїнства:

- малі маса і габаритні розміри;

- великий термін служби;

- низька живляча напруга;

- економічність;

- висока чутливість.

Застосування: в пристроях вводу і виводу ПК; у оптоелектронних схемах; для контролю джерел світла; для вимірів інтенсивності освітлення; прозорості середовища; реєстрації і рахунки ядерних часток; автоматичного регулювання і контролю температури і інших параметрів при зміні оптичних властивостей речовини або середовища.