Полупроводниковые диоды Полупроводниковый диод как элемент электрической

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи представляет собой нелинейный двухполюсник, т. е. электронный прибор с двумя внешними выводами и нелинейной вольт-амперной характеристикой. Выпрямительные диоды используют одностороннюю проводимость электрического перехода и предназначены для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный.

Основными эксплуатационными параметрами выпрямительных диодов являются: Uпр mах - максимальный прямой ток Iобр - ток при обратном смещении и заданном напряжении Uобр mах - максимальное обратное напряжение Fгр - граничная частота работы диода Рmах - максимальная допустимая мощность, рассеиваемая диодом

Импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды Импульсные диоды должны обеспечивать время переключения - 1 мксек. Высокочастотные - выпрямление (детектирование) переменных сигналов до сотен мегагерц. СВЧ - в гигагерцовом диапазоне (они обычно имеют малую площадь перехода). Приборы с отсутствием инжекции неосновных носителей заряда - на базе гетеропереходов и переходов Шоттки.

Стабилитроны - диоды, ВАХ которых имеет участок со слабой зависимостью напряжения от тока в режиме пробоя:

Значения стабилизируемого напряжения могут составлять от 3 до 200 В в зависимости от концентрации неосновных носителей в базовой области диода. У диодов с Uст > 7 В механизм пробоя лавинный, при Uст < 7 В возможен туннельный пробой. Качество стабилизации характеризуется отношением:

Варикапы и параметрические диоды Варикапом называется диод, используемый в качестве управляемой напряжением емкости. При этом используется зарядная емкость. Зависимость емкости n-р - перехода от обратного напряжения может быть представлена в виде: для резкого перехода.

Применение варикапов l электронная перестройка частоты колебательных контуров l усиление и генерация СВЧ-сигналов (параметрические диоды) l умножение частоты

Туннельные и обращенные диоды Принцип действия туннельных диодов основан на проявлении туннельного эффекта в n-р - переходе, образованном вырожденными полупроводниками.

Концентрация примесей в таких полупроводниках составляет 1019 – 1020 г/см 3, при этом уровни примеси размываются в зону, перекрывающуюся с ближайшей разрешенной полосой. Уровень Ферми расположен в одной из разрешенных зон на глубине ~3 k. Т от ее границы.

Энергетическая диаграмма n-р - перехода в состоянии равновесия:

При приложении внешнего прямого напряжения перекрытие зон уменьшается и наблюдается сначала рост, а потом уменьшение туннельного тока

При нулевом перекрытии зон туннельный ток становится равным нулю и через переход протекает только диффузионный ток основных носителей

При приложении к переходу обратного напряжения степень перекрытия зон возрастает и туннельный ток через переход обеспечивается потоком дырок из заполненной зоны рполупроводника в зону проводимости nполупроводника.

Прямая ветвь соответствует обычной ВАХ n-р - перехода, а обратная обусловлена током туннелирующих носителей (обращенный диод)

Применение туннельных диодов lусилители lгенераторы lпереключатели lдетекторы и смесители СВЧ-диапазона

Диоды Ганна Эффект обнаруженный Ганном в 1963 г. , заключается в том, что приложении к полупроводнику постоянного напряжения наблюдается возникновение электрических колебаний.

Диоды Ганна Ga. As относится к полупроводникам, имеющим «многодолинную» зонную структуру. В зоне проводимости имеются два минимума, эффективные массы электронов в которых составляют 0, 072 в центральном минимуме и 1, 2 в основном. Их подвижности так же резко отличаются.

Энергетическая диаграмма диода Ганна

Диоды Ганна При малых напряженностях поля все электроны находятся в нижнем центральном минимуме. При увеличении внешнего напряжения электроны переходят в боковой минимум и из-за малой подвижности тяжелых электронов ток в цепи падает. При этом на вольт-амперной характеристике появляется участок с отрицательной дифференциальной проводимостью.

Область с повышенным сопротивлением (домен), перемещающийся от катода к аноду

Временная диаграмма тока показывает, что диод Ганна может быть использован в качестве генератора. j jпор j 0 T 0 t

ВАХ диода Ганна

Частоты генерации диода Ганна зависят только от длины образца. Для того чтобы домен мог сформироваться, необходимо, чтобы время пролета домена от катода к аноду было больше времени его образования:

Условие возникновения колебаний тока: n 0 - общая концентрация электронов 2 - подвижность тяжелых электронов V 0 - скорость движения домена

Лавинно-пролетные диоды широко применяются в качестве генераторов СВЧ колебаний. Необходимый для этого участок ВАХ с отрицательным сопротивлением создается, например, в структуре р+-i-n.

Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в однородном полупроводнике а) распределение электрического поля, доноров и акцепторов и свободных носителей; б) распределение токов; в) зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение в ОПЗ