Устройство полупроводниковых диодов

В зависимости от струк­туры различают точечные и плоскост­ные диоды. У точечных диодов линей­ные размеры, определяющие площадь n–р-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно боль­ше толщины перехода.

Точечные диоды имеют малую ем­кость n –р-перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на лю­бых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади пере­хода обладают емкостью в десятки пикофарад. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер.

Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупро­водника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме пра­вильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и крем­ний, а в последнее время также арсенид галлия (GaAs) и другие соединения.

Принцип устройства точечного дио­да показан на рисунке 2.8. Тонкая за­остренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке по­лупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундиру­ют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода (см. п. 1.4). Таким образом, около иглы образуется миниатюрный n-р-переход полусферической формы. Следовательно, разница между точечными и плоскост­ными диодами заключается в площади n – р перехода.

Германиевые точечные диоды обыч­но изготовляются из германия n-типа со сравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная об­ласть германия р-типа работает в ка­честве эмиттера. Для изготовления кремниевых точечных диодов исполь­зуются кремний n-типа и игла, покры­тая алюминием, который служит акцеп­тором для кремния.

Плоскостные диоды изготовляются главным образом методами сплавления (вплавления) или диффузии (рисунок 2.9). В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 °С каплю индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнитель­но высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной плас­тинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа.

 

 

Рисунок 2.8 – Принцип устройства точечного диода

 

Комбинированием методов элекрохимического осаждения и сплавления изготавливаются (см. п 1.4) микро – сплавные диоды.

 

Рисунок 2.9 – Принцип устройства плоскостных германиевых диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным (б) методом

 

Диффузионный метод изготовления n–р-перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (см. п.1.4). Примесное вещество при этом обычно находится в газооб­разном состоянии. Для того чтобы диф­фузия была интенсивной, основной полу­проводник нагревают до более высокой температуры, чем при методе сплавления. Например, пластинку германия n-типа нагревают до 900 °С и помещают в пары индия. Тогда на поверхности пластинки образуется слой германия р-типа. Изменяя длительность диффу­зии, можно довольно точно получать слой нужной толщины. После охлажде­ния его удаляют путем травления со всех частей пластинки, кроме одной гра­ни. Диффузионный слой играет роль эмиттера. От него и от основной пластинки делают выводы. При диффу­зионном методе атомы примеси прони­кают на относительно большую глуби­ну в основной полупроводник, и по­этому n–р-переход получается плавным, т. е. в нем толщина области изменения концентрации примеси сравнима с тол­щиной области объемных зарядов.

Современные полупроводниковые кремниевые диоды создаются по планарной и планарно – эпитаксиальной технологии. Название «планарный» дано от английского слова Planag – плоский. Основу планарной технологии составляет метод фотолитографии, рассмотренный в п.1.4.

Последовательность операций для получения его представлена на рисунке 2.10.

 

 

Рисунок 2.10 - Последовательность операций планарной технологии:

а – окисление, нанесение фоторезиста; б - засвечивание; в – вскрытие окон; г – локальная диффузия.

 

На исходной полупроводниковой пластине кремния n-типа получают плёнку окисла SiO₂ методом оксидного маскирования (см. п.1.4), которую затем покрывают слоем свёточувствительного вещества — фоторезиста (рисунок 2.10 а). После этого поверхность через специальную маску (фотошаблон) засвечивается ультрафиолетовым светом (рисунок 2.10 б). Затем слой фоторезиста проявляется с помощью специ­альных проявителей. При этом облученные участки фоторезиста задубливаются и переходят в нерастворимое состояние, а необлученные растворяются. Далее осуществляется травление пленки окисла, и получается "окно" для диффузии примесей. После этого специальным составом удаляют слой фо­торезиста (рисунок 2.10 в). Через образовавшееся с помощью фотолитографии "окно" проводят локальную диффузию примесей в исходную пластинку кремния и получают p-n-переход (рисунок 2.10 г).

После этого через маску наносят выводы в виде металлических слоёв.

Для создания планарно-эпитаксиальных диодов дополнительно используется метод эпитаксии, рассмотренный ранее в подразделе 1.4. Т.е. на исходной полупроводниковой низкоомной пластине кремния, например n⁺-типа выращивается высокоомный слой n, сохраняющий структуру пластины, но имеющий иную удельную проводимость.

Затем планарным методом создаётся область р-типа.

На рисунке 2.11 показан принцип устройства планарно-эпитаксиального диода.

                

 

Рисунок 2.11 – Принцип устройства планарно-эпитаксиального диода

 

Планарно-эпитаксиальные диоды позволяют увеличить пробивное напряжение и получить при этом небольшую ёмкость p-n переходе.

В технике высоких частот часто используется диод Шотки, полученный на основе контакта металл-полупроводник. Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная плёнка с электропроводностью того же тока. На поверхность плёнки вакуумным напылением нанесён слой металла (рисунок 2.12)

               

 

Рисунок 2.12 - Принцип устройства диода Шотки

 

1 – пластина низкоомного кремния

2 – высокоомная эпитаксиальная плёнка

3 – слой металла

При работе диода в импульсном режиме, когда длительность импульсов небольшие, часто применяются так называемые мезадиоды (от латинского слова «меза - стол»).

Сначала на пластине основного полупроводника диффузионным методом создаётся слой с другим типом электропроводности. Далее эта пластинка покрывается специальной маской и подвергается травлению. Маска защищает от травления много небольших участков. Именно в этих защищённых областях остаются n-p-переходы малого размера, которые возвышаются над поверхностью пластинки в виде «столиков» рисунок 2.13

Затем пластинка срезается на отдельные части – диоды. Особенностью мезадиодов является уменьшенный объём базовой области. За счёт этого сокращается время накопления и рассасывания носителей в базе. Одновременное изготовление большого числа диодов из одной пластинки обеспечивает также сравнительно малый разброс их характеристик и параметров.

 

Рисунок 2.13 - Принцип устройства мезадиода

 

1 – слой с электропроводностью n-типа, полученный диффузией

2 – вывод от n-области

3 – участок, удаляемый травлением

4 – основная пластинка полупроводника p-типа

Слой n-типа можно получить не только методом диффузии, но и сплавным методом (мезасплавные диоды). Для создания мезадиодов используется планарная технология (меза-планарные диоды) и эпитаксиальная технология (меза-эпитаксиальные диоды).

 

Рабочий режим диода

       В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рисунок 2.14, а). В условном графическом обозначении (схематическом изображении) полупроводникового диода треугольник является анодом, черточка – катодом. Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода. Следовательно, треугольник нужно рассматривать как острие стрелки, показывающей условное направление прямого тока. Именно в этом направлении при прямом токе движутся дырки, электроны же движутся в противоположном направлении.

Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току R₀ и сопротивления нагрузочного резистора R_н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R₀ у него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, R_н и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

а)                                   б)                                                  в)

Рисунок 2.14 – Схема включения диода с нагрузкой и построение линии нагрузки

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и u. А для сопротивления R_н подобным уравнением является закон Ома:

i = u_R/R_н = (E – u)/R_н.                                               (2.2)

Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и u, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления R_н – это уравнение первой степени относи­тельно i и u. Его графиком является прямая линия, называемая линией на­грузки. Проще всего она строится по двум точкам на осях координат. При i = 0 из уравнения (2.2) получаем: Е – u = 0 или u = Е, что соответствует точке А на рисунке2.14, б. А если u = 0, то i = E/R_н. Откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). Через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки. Координаты точки Т дают решение поставленной задачи. Сле­дует отметить, что все остальные точки прямой АБ не соответствуют каким-либо рабочим режимам диода. Можно строить линию нагрузки по углу ее наклона α, поскольку R₀ = k ctg α Но это менее удобно, так как надо опреде­лять коэффициент k с учетом масшта­бов и находить угол α по его котан­генсу.

При построении линии нагрузки для сравнительно малых R_н точка Б окажется за пределами чертежа. В этом случае следует отложить от точки А влево произвольное напряжение U (рисунок 2.14, в) и от полученной точки В отложить ток, равный U/R_н (отрезок ВГ). Прямая, про­веденная через точки А и Г, будет линией нагрузки.

Иногда заданы u и i (точка Т) и сопротивление нагрузки R_н, а надо опре­делить Е, или, наоборот, при заданном Е требуется определить сопротивление нагрузки R_н. Графические построения для этих случаев предлагается сделать читателю самому. Во всех таких по­строениях следует руководствоваться уравнением (2.2).

Цепь с последовательно соединен­ными диодом и линейным нагрузочным резистором R_н является нелинейной. Характеристику такой цепи, называемую рабочей характеристикой диода, т. е. гра­фик зависимости i = f (Е), можно полу­чить суммированием напряжений для характеристик диода и нагрузочного резистора R_н (рисунок 2.15). Характеристика резистора R_н выражает закон Ома i = u_R/R_н и является прямой линией, проходящей через начало координат.

Рисунок 2.15– Построение рабочей характеристики для цепи, состоящей из последовательно соединенных диода и резистора нагрузки

Для построения этой прямой на график наносится точка, соответствующая про­извольному напряжению u_R и току u_R/R_н. Через эту точку и начало коор­динат проводится прямая. В предыду­щих построениях линия нагрузки не проходила через начало координат, по­тому что она выражала зависимость тока не от напряжения u_R, а от напря­жения на диоде u_.

Рабочую характеристику цепи i = f (E) строим, складывая для несколь­ких значений тока i напряжения u и u_R, так как Е = u + u_R. Например, при токе 3мА имеем: u = 0,4 В и u_R = 0,5 В. Суммируя эти напряжения, получаем Е = 0,9В и соответствующую точку результирующей характеристики. Ана­логично находим другие точки, и через них проводим плавную кри­вую.

Свойства последовательной цепи зависят главным образом от свойств участка цепи, имеющего большее сопро­тивление. Поэтому чем больше сопро­тивление R_н, тем меньше нелинейность результирующей характеристики. Сле­дует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не де­лать, если R_н >>R₀. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно по формуле i » E/R_н.

Рассмотренные методы расчета по­стоянного напряжения Е можно при­менить для амплитудных или мгновен­ных значений, если анодный источник дает переменное напряжение.

Выпрямительные диоды

В выпрямительных диодах используется вентельное свойство электронно-дырочного перехода, т.е. при прямом напряжении сопротивление р-n-перехода мало, а при обратном напряжении – велико.

Широко распространены низкочастот­ные выпрямительные диоды, предназна­ченные для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц (иногда до 50 кГц). Эти диоды приме­няются в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Иногда их называют силовыми диода­ми. Низкочастотные диоды являются плоскостными и изготовляются из гер­мания или кремния. Они делятся на диоды малой, средней и большой мощ­ности, что соответствует предельным значениям выпрямленного тока до 300 мА, от 300 мА до 10 А и выше 10 А. Все параметры диодов обычно указываются для работы при температу­ре окружающей среды 20±5°С.                                                                                                                                                                   

Германиевые диоды изготовляются, как правило, вплавлением индия в гер­маний n-типа. Они могут допускать плотность тока до 100 А/см² при пря­мом напряжении до 0,8 В. Предельное обратное напряжение у них не превы­шает 400 В, а обратный ток обычно бывает не более десятых долей милли­ампера для диодов малой мощности и единиц миллиампер для диодов сред­ней мощности. Рабочая температура этих диодов от – 60 до + 75 ^оС. Если диоды работают при температуре окру­жающей среды выше 20 °С, то необхо­димо снижать обратное напряжение. При пониженном атмосферном давлении или неудовлетворительном охлаждении воз­можен перегрев диодов. Чтобы не до­пускать его, следует снижать выпрямлен­ный ток.

Мощные германиевые диоды рабо­тают с естественным охлаждением. Они изготовляются на выпрямленный ток до 1000 А и обратное напряжение до 150 В.

Выпрямительные кремниевые диоды в последнее время получили особенно большое распространение. Они изготов­ляются вплавлением алюминия в крем­ний n-типа, а также сплава олова с фос­фором или золота с сурьмой в кремний р-типа. Применяется и диффузионный метод. По сравнению с германиевыми кремниевые диоды имеют ряд преи­муществ. Предельная плотность прямого тока у них до 200 А/см², а предельное обратное напряжение может быть до 1000 В. Рабочая температура от –60 до +125 °С (для некоторых типов даже до +150 °С). Прямое напряжение у крем­ниевых диодов доходит до 1,5 В, т. е. несколько больше, чем у германиевых диодов. Обратный ток у кремниевых диодов значительно меньше, чем у гер­маниевых.

Для выпрямления высоких напряже­ний выпускаются кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпу­сах, залитых изолирующей смолой. Они бывают рассчитаны на ток до сотен миллиампер и обратное напряжение до нескольких киловольт. Для более удоб­ной сборки различных выпрямительных схем, например мостовых или удвоительных, служат кремниевые выпрями­тельные блоки. В них имеется несколь­ко столбов, от которых сделаны отдель­ные выводы. Мощные кремниевые дио­ды выпускаются на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение от 50 до 1000 В.

Выпрямительные точечные диоды широко применя­ются на высоких частотах, а некоторые . типы и на СВЧ и могут также успешно работать на низких частотах. Эти диоды используются в самых раз­личных схемах, поэтому их иногда назы­вают универсальными. Германиевые и кремниевые диоды выпускаются с пре­дельным обратным напряжением до 150 В и максимальным выпрямленным током до 100 мА.

В выпрямительных диодах применяются также и p-i-перехо­ды, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля в p-n-переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой. Для этой же цели иногда используют р + -р- или n + -n-переходы. Для их получения методом эпитаксии на поверхности исходного полупроводника наращивают тонкую высокоомную пленку. На ней методом вплавления или диффузии создают p-n переходы, в результате чего получается структура р+-р-n или n+-n-р-гипа. В таких диодах успешно разрешаются противоречивые требова­ния, состоящие в том, что, во-первых, для получения малых обратных токов, малого падения напряжения в открытом состоянии и температурной стабильности характеристик необ­ходимо применять материал с возможно малым удельным сопротивлением; во-вторых, для получения высокого напряже­ния пробоя и малой емкости p-n-перехода необходимо приме­нять полупроводник с высоким удельным сопротивлением.

Эпитаксиальные диоды обычно имеют малое падение напряжения в открытом состоянии и высокое пробивное напряжение.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость их из-за большой площади p-n-переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

На рисунке 2.14 приведена вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) выпрямительных диодов малой мощности.

Здесь показано условное графическое обозначение выпрямительного диода (в). Вершина треугольника «стрелка» показывает направление прямого тока протекающего от большого потенциала «+» к меньшему потенциалу «-» (катоду).

Рисунок 2.14 - Вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов

 

Из приведенных ВАХ видно, что для кремниевых диодов по сравнению с германиевым прямые ветви характеристик, построенных при одних и тез же температурах, смещены в право. Т.е для получения одинаковых прямых токов необходимо к кремниевым диодам прикладывать большее прямое напряжение, чем к германиевым.

При увеличении температуры прямая ветвь характеристик становится более крутой. Обратный ток в кремниевых диодах меньше, чем у германиевых.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр max} — значение напряжения, приложенного в обратном на­правлении, которое диод может выдержать в течение длитель­ного времени без нарушения его работоспособности (десятки — тысячи В).

2. Средний выпрямленный ток диода I_{вп ср} — среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протека­ющего через диод (сотни мА — десятки А).

3. Импульсный прямой ток диода I_при— пиковое значение импульса тока при заданной максимальной длительности, скважности и формы импульса.

4. Средний обратный ток диода I_{oбр ср} — среднее за период значение обратного тока (доли мкА — несколько мА).

5. Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока U_{пр ср} (доли В).

6. Средняя рассеиваемая мощность диода Р_срд — средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях (сотни мВт—десятки и более Вт).

7. Дифференциальное сопротивление диода r_диф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы — сотни Ом).

В скобках указаны значения соответствующих параметров для маломощных диодов.

Система параметров не допускает работу выпрямительных диодов области электрического пробоя. Разновидностью выпрямительных диодов, допускающих в течение длительного интервала времени работу в области электрического лавинного пробоя на обратной ветви ВАХ, являются лавинные диоды. Эта особенность лавинных диодов позволяет эффективно применять их в качестве элементов закрытых цепей аппаратуры от импульсных перегрузок по напряжению.

На рисунке 2.15 показана конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В.

Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 50кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с жёсткими выводами. Тип диода и схема соединения диодов с выводами приводятся на корпусе. Масса диодов не более 6г.

На рисунке 2.16 показана конструкция кремниевых, эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А, 2Д245Б,В. Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 200 кГц во вторичных источниках электропитания. Выпускаются в металлопластмассовом корпусе с гибкими выводами. Положительный электрод соединён с металлическим основанием корпуса. Тип диода приводится на корпусе. Масса диода не более 4г.

На рисунке 2.17 показана конструкция кремниевых, диффузионных силовых диодов Д112-10 и др. Диоды предназначены для работы в цепях статических преобразователей электроэнергии постоянного и переменного токов на частотах до 1,5 кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе прямой (без знака Х) и обратной (со знаком Х) полярностей. Обозначение типа материала и полярность выводов приводятся на корпусе. Масса диода не более 6г.

 

 

Рисунок 2.15 - Конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В

 

Рисунок 2.16 - Конструкция кремниевых, эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А,Б,В

 

 

Рисунок 2.17 - Конструкция кремниевых, диффузионных силовых диодов Д112-10 и др.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: