Что такое полупроводниковый диод

Диоды

Полупроводнико́вый дио́д, двухэлектродный электронный прибор, изготовленный на основе полупроводникового кристалла ; разновидность полупроводникового прибора . Понятие «полупроводниковый диод» объединяет приборы с различными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Действие полупроводникового диода обусловлено свойствами либо электронно-дырочного перехода, либо контакта металл – полупроводник ( диоды Шоттки ), либо объёмным эффектом доменной неустойчивости однородного полупроводника (диоды с междолинным переходом электронов ).

Полупроводниковые диоды, работа которых основана на использовании р–n-перехода , получили наибольшее распространение. Если к p–n-переходу диода приложить напряжение в прямом направлении, когда положительный полюс источника питания соединяется с областью р-типа, а отрицательный – с областью n-типа, то потенциальный барьер перехода понижается и через диод протекает большой прямой ток. При подаче напряжения обратной полярности потенциальный барьер повышается и через p–n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). Вольт-амперная характеристика полупроводниковой структуры с p–n-переходом является несимметричной. На этом свойстве основана работа выпрямительных полупроводниковых диодов, предназначенных для преобразования переменного тока (с частотой, как правило, до 5 кГц) в постоянный ток . Частотный предел выпрямительного полупроводникового диода ограничен инерционностью, определяемой временем жизни неосновных носителей заряда. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей выпускают выпрямительные полупроводниковые диоды, имеющие допустимый выпрямленный ток до 300 А и максимальное допустимое обратное напряжение Uобр до нескольких киловольт. Для повышения Uобр до нескольких десятков киловольт используют выпрямительные столбы.

Легирование полупроводников примесями (в основном золотом ) позволило существенно уменьшить время жизни носителей заряда и создать быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды (со временем переключения 10 –7 –10 –10 с), предназначенные главным образом для работы в режиме переключения электрических цепей.

При определённых обратных (т. н. пробивных) напряжениях в p–n-переходе возникает электрический пробой , приводящий к резкому возрастанию тока при практически неизменном напряжении на полупроводниковом диоде. На этом эффекте основана работа полупроводниковых стабилитронов , применяемых главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения, в качестве источника опорного напряжения и в потенциометрических устройствах.

Инерционность развития лавинного пробоя в p–n-переходе обусловливает возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в диапазоне СВЧ, связанного со сдвигом фаз между током и напряжением в диоде. Этот принцип лежит в основе работы лавинно-пролётных диодов , применяемых для генерации СВЧ-колебаний, частотный предел которых достигает 150 ГГц. Лавинный пробой p–n-перехода сопровождается значительными флуктуациями , приводящими к большой величине шума, что используется в шумовых диодах.

Урок 306. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод

Полупроводниковый переход при подаче обратного напряжения (не превышающего Uобр) ведёт себя как конденсатор, ёмкость СБ которого зависит от приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах , применяемых для электронной перестройки резонансных частот колебательных контуров , в параметрических СВЧ-диодах, служащих для усиления амплитуды сигнала, в умножительных СВЧ-диодах – для умножения частоты сигнала. Полупроводниковые СВЧ-диоды, служащие для детектирования и преобразования электрических сигналов в СВЧ-диапазоне (детекторные СВЧ-диоды, смесительные СВЧ-диоды и др.), обычно монтируют непосредственно в волноводных системах, что предъявляет определённые требования к конструктивному оформлению таких диодов, а также к выбору структуры и геометрии полупроводникового кристалла. В большинстве случаев они представляют собой точечные диоды с выпрямляющим контактом металл – полупроводник. Уменьшение площади p–n-перехода и использование структуры с барьером Шоттки обеспечивают малое значение ёмкости СБ таких полупроводниковых диодов. Для получения низкого сопротивления базы rб (основной источник активных потерь) обычно на исходную полупроводниковую пластинку с малым удельным сопротивлением (подложку) наносят тонкий слой высокоомного полупроводника методом эпитаксиального наращивания. Для управления уровнем мощности в линиях передачи СВЧ применяются переключательные СВЧ-диоды, работа которых основана на резком изменении их электрического сопротивления при изменении полярности подводимого напряжения, а также ограничительные диоды .

К полупроводниковым СВЧ-диодам относят также туннельные диоды и обращённые диоды , действие которых основано на туннельном эффекте , возникающем в p–n-переходе шириной не более 10 –2 мкм. Практическая безынерционность этих приборов в диапазоне СВЧ обеспечивает успешную работу туннельных диодов в быстродействующих импульсных устройствах ( мультивибраторах , триггерах и др.), в усилителях и генераторах электрических колебаний, а обращённых диодов – в качестве детекторов и смесителей СВЧ-сигнала.

Особую группу полупроводниковых диодов (не содержащих p–n-перехода) составляют диоды с междолинным переходом электронов ( диоды Ганна ), в которых благодаря особенностям зонной структуры определённого класса полупроводников (главным образом GaAs, InP) в сильном электрическом поле возникает отрицательная дифференциальная проводимость. Диоды Ганна используются для усиления и генерации СВЧ-колебаний с частотой до 100 ГГц.

Свойство фотонов и ядерных частиц образовывать электронно-дырочные пары и увеличивать тем самым обратный ток p–n-перехода при поглощении излучения в активной области полупроводникового кристалла, непосредственно примыкающей к переходу, положено в основу фотодиодов и полупроводниковых детекторов ядерных излучений. Оптимальной для данного типа диодов является p–i–n-структура, характеристики которой во многом сходны с характеристиками p–n-перехода. Излучательная рекомбинация электронов и дырок в условиях протекания через p–n-переход прямого тока, характерная для некоторых полупроводниковых структур, используется в излучающих диодах и полупроводниковых лазерах , которые также могут быть отнесены к полупроводниковым диодам. Спектр излучения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника, а кроме того, легирующими примесями, образующими излучательные центры рекомбинации.

К полупроводниковым диодам относят также неуправляемую четырёхслойную p–n–p–n-структуру; такие приборы называются динисторами.

Для изготовления полупроводниковых диодов широко применяют планарную технологию , при этом получили распространение различные технологические методы (сплавление, диффузия , эпитаксиальное наращивание и др.). В качестве полупроводниковых материалов используют главным образом кремний и германий , полупроводники группы А Ⅲ –В Ⅴ (например, GaAs, GaP, InP) и их твёрдые растворы‚ в качестве контактных материалов – золото, алюминий , олово , никель , медь . Для защиты полупроводникового кристалла полупроводниковый диод обычно помещают в металлостеклянный, металлокерамический‚ стеклянный или пластмассовый корпус.

С развитием полупроводниковой электроники совершился переход к производству (наряду с дискретными полупроводниковыми диодами) диодных структур в полупроводниковых монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах.

От своих электровакуумных аналогов (например, кенотрона , газоразрядного стабилитрона) полупроводниковые диоды отличаются, как правило, значительно большей надёжностью и долговечностью , меньшими габаритными размерами и массой, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей. Полупроводниковые диоды применяются в радиоэлектронике, электротехнике , вычислительной технике и автоматике ; используются в устройствах передачи и отображения информации и др.

Аладинский Владимир Константинович . Первая публикация: Электроника: энциклопедический словарь, 1991.

Опубликовано 23 ноября 2023 г. в 10:54 (GMT+3). Последнее обновление 23 ноября 2023 г. в 10:54 (GMT+3). Связаться с редакцией

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий