Полупроводниковые диоды

2. Полупроводниковые диоды

2.1 Полупроводниковые диоды с электронно-отверстным (дырочным) переходом                  (pn - переходом).

Простейшим полупроводниковым прибором является диод, представляющий полупроводниковый кристалл с электронно-отверстным (дырочным) (pn) переходом. На Рисунок 2.1. приведены обозначение диода, его конструкция и диаграмма распределения примеси. Вблизи контактов, как правило, концентрация примеси и соответственно основных носителей заряда повышена. Это сделано для того, чтобы снизить сопротивление между металлическим контактом и полупроводниковой областью. Основным элементом диода является электронно-отверстной (дырочный) переход (pn-переход).

[pic 1]

Рисунок 2.1. Полупроводниковый диод с pn-переходом: обозначение, конструкция, распределение примеси

Электронно-отверстной (дырочный) переход - основной элемент не только диодов, но и других биполярных приборов, поскольку именно электронно-отверстной (дырочный) переход позволяет управлять потоками носителей заряда в биполярных приборах. Электронно-отверстной (дырочный) переход создают в кристалле изменением типа проводимости, путем введения соответственно акцепторной и донорной примеси.

Существует большое количество способов создания pn перехода. На Рисунок 2.2. представлены схемы сплавной, диффузионной и эпитаксиально-диффузионной технологий.

[pic 2]

Рисунок 2.2. Схемы изготовления pn перехода различными технологическими способами.

При сплавной технологии электронно-дырочный переход образуется на границе раздела исходного кристалла и рекристаллизованной полупроводниковой области , в которую происходило вплавление (Рисунок 2.2а). На Рисунок 2.2б показан способ изготовления pn перехода диффузией акцепторной примеси в кристалл n-типа. Особенность технологии показанной на Рисунок 2.2.в в том, что диффузия осуществляется в кристалл с полупроводниковой пленкой n типа, выращенной на кристалле n+ типа специальной эпитаксиальной технологией, позволяющей сохранить структуру кристалла в пленке.

Особенность электрических характеристик диода в том, что он обладает низким сопротивлением при одной полярности приложенного к нему напряжения (плюс на аноде - прямое включение) и высоким сопротивлением при другой полярности (минус на аноде - обратное включение). Это свойство диода обеспечило ему широкое применение в выпрямителях - схемах преобразования переменного напряжения в постоянное.

На Рисунок 2.3. показана вольтамперная характеристика полупроводникового диода средней мощности – зависимость I(U), кривая 1.

[pic 3]

Рисунок 2.3. Вольтамперные характеристики полупроводникового диода (1) и идеального выпрямителя (2).

На том же Рисунок 2.3 приведена характеристика "идеального" ключа, который пропускает ток при положительном напряжении и не пропускает при отрицательном. Как видно из сравнения графиков, свойства полупроводникового диода близки к свойствам идеального выпрямителя, поскольку для него ток в прямом направлении может в миллионы раз быть больше тока в обратном направлении.

  К основным недостаткам полупроводникового диода следует отнести: при прямом смещении - наличие области малых токов на начальном участке ("пятка") и конечного сопротивления толщи rs ; при обратном - наличие пробоя и небольшого (однако сильно возрастающего с температурой) обратного тока.

Следует обратить внимание на то, что прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики представлены на Рисунок 2.3 в разном масштабе.

Рассмотрим работу диода на активную нагрузку (Рисунок 1.4). Соответствующая схема показана на Рисунок 2.4 а. Ток через диод описывается его вольтамперной характеристикой Iдиод = f(Uдиод) , ток через нагрузочное сопротивление будет равен току через диод Iдиод = Iнагр = I , поскольку соединение последовательное, и для него справедливо соотношение Iнагр = (U(t) - Uдиод)/Rн.