Полупроводниковых диодов

Технология изготовления, конструкция, параметры

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n -переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

В качестве материалов для полупроводниковых диодов исполь-зуют германий, кремний, селен, арсенид галлия, фосфид галлия и др. Легирующими добавками служат элементы ΙΙΙ-V группы таблицы Менделеева.

Все полупроводниковые диоды делят на два класса: точечные и плоскостные. В точечном диоде используется пластинка из германия или кремния с электропроводностью n -типа толщиной 0,1- 0,6 мм и площадью 0,5-1,5 мм²; с пластиной соприкасается заостренная стальная проволочка (рис. 1.2.1) На заключительной стадии изготовления в диоде создают большой ток, стальную проволочку вплавляют в полупроводник, образуя область с электропроводностью p -типа. Этот процесс называется формовкой диода.

Вольтамперные характеристики точечного диода аналогичны характеристикам, приведенным на рис. 1.1.3., но из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ-диоды). Точечные диоды используют в основном для выпрямления переменного напряжения.

В плоскостных диодах p-n -переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у полупроводников различных типов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра (микроплоскостные диоды) до нескольких квадратных сантиметров (силовые диоды) В зависимости от назначения плоскостного диода в нем используются те или иные участки характеристики p-n -перехода.

ОПОРНЫЕ ДИОДЫ

Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух типов. Так же, как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая обусловлена перемещением дырок.

Электронно-дырочным переходом (p-n -переходом) называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании свойств одного или нескольких p-n -переходов.

Опорный диод (полупроводниковый стабилитрон) – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока; стабилитроны используются обычно в схемах стабилизации напряжения. Типичная вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 2.1.1.

Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U_ст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации. Ток, соответствующий напряжению устойчивого пробоя, является минимальным током I_min, максимально допустимый обратный ток – максимальный ток стабилизации I_max.

Следовательно, основными параметрами стабилитрона являются: напряжение на участке стабилизации U_ст, динамическое сопротивление на участке стабилизации ; минимальный ток стабилизации I_ст.min; максимальный ток стабилизации I_ст.max; температурный коэффициент на участке стабилизации .

Напряжение стабилизации современных стабилитронов лежит в пределах 1 – 1000 В и зависит от толщины запирающего слоя p-n -перехода. Участок стабилизации расположен на характеристике стабилитрона от I_ст.min до I_ст.max; 1 ÷ 10 мА, 50 ÷ 2000 мА. Значение минимального тока I_ст.min ограничено нелинейным участком характеристики стабилитрона, значение максимального тока I_ст.max – допустимой температурой полупроводника.

На участке стабилизации , для большинства стабилитронов 0.5 ÷ 200 Ом. Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения ТКН, который показывает, на сколько процентов изменяется напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1 ºС. Для большинства стабилитронов ТКН = /-0.05 ÷ +0.2/ %/ ºС. При этом отрицательным ТКН обладают стабилитроны с низким напряжением стабилизации (U_ст 6.0 В).

Путем последовательного соединения в процессе изготовления p-n -переходов с различными по знаку ТКН удается получить стабилитроны с очень низким ТКН. Так, у прецизионного стабилитрона КС196В ТКН = ±0.0005 %/ºС в диапазоне температур от –60 до +60ºС.

Такие стабилитроны применяют в стабилизаторах напряжения, предназначенных для измерения постоянных напряжений и токов.

Стабилизацию постоянного напряжения можно также получить с помощью диода, включенного в прямом направлении. Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами.

В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного.