Полупроводники

Обзор типов полупроводниковых диодов

Плоскостные диоды. В диодах, изготовленных по пленарной технологии, переход предохраняется от загрязнения защитным слоем двуоксии кремния. Поэтому кремниевые планарные приборы могут изготовляться в массовых количествах со стабильными характеристиками. Так как кремниевые приборы имеют малые токи утечки, они обладают преимуществами По сравнению с германиевыми, особенно в переключающих схемах и быстродействующих вычислительных устройствах. Однако прямое напряжение, необходимое для того, чтобы диод был открыт, равно 0,5 В для кремниевых и 0,15 В для германиевых диодов. Поэтому при работе в режиме больших токов использование германиевых диодов оказывается более рациональным. Как уже было сказано, кроме кремния и германия в качестве полупроводникового материала используют арсенид галлия. Диоды, изготовленные из этого материала, можно использовать при температурах вплоть до нескольких сотен градусов Цельсия и применять в быстродействующих устройствах.

Точечно-контактные диоды. Точечно-контактные диоды состоят из вольфрамовой спиральной пружинки и кристалла германия типа д. Когда через такое устройство пропускается небольшой ток, в точке контакта образуется сплав типа р. Из-за малой площади контакта прямое сопротивление точечных диодов значительно больше, чем плоскостных. Однако точечно-контактные диоды имеют хорошие высокочастотные характеристики и потому ранее широко применялись в быстродействующих переключающих устройствах. Для изготовления диодов, работающих при высоких напряжениях, необходимо использовать слаболегированный германий, так как при этом удельное сопротивление становится более высоким. Но следует учитывать, что это ухудшает высокочастотные характеристики. Можно изготовить диод с малым прямым сопротивлением и хорошими высокочастотными характеристиками, если вместо вольфрамовой использовать золотую спираль

Опорные диоды. Кремниевые диоды при подаче на них обратного напряжения позволяют получить достаточно стабильный уровень напряжения около 0,6 В. Характеристика пробоя диода позволяет использовать его в качестве источника опорного напряжения. При применении сильно-легированного полупроводникового материала можно изготовлять диоды с заранее заданным уровнем пробивного напряжения (пробой Зенера) вплоть до 15 В. Более высокие опорные напряжения можно получить путем применения диодов с лавинным пробоем.

Диоды Шоттки. Выпрямление происходит в плоскости между металлом и полупроводником. Устройство работает на том же принципе, что и радиодетектор, в котором использовался металлический контакт на карбиде кремния. Отличие заключается в том, что современные методы технологии позволяют получить значительно большую площадь контакта между металлом и полупроводником. При работе диода Шоттки неосновные носители не используются. Ток через него представляет собой поток только основных носителей - электронов. Исключение неосновных носителей означает, что проблема накопления заряда полностью снимается. Это объясняет хорошие ключевые характеристики диода Шоттки. Еще одной важной особенностью является то, что у этого диода падение напряжения в прямом направлении приблизительно в 2 раза меньше по сравнению с диодом на р-п переходе. Это обстоятельство позволяет эффективно их использовать в схемах источников питания при малых напряжениях и больших токах.

Фотодиоды. Рассмотрим два процесса - фотопроводимость и фотоэлектрический эффект. При падении света на фотопроводящий материал световая энергия поглощается им и в результате образуются электронно-дырочные пары. Если теперь к фотопроводящему материалу приложить внешнее электрическое поле, дырки начнут двигаться в одном направлении, а электроны в другом, и в результате потечет электрический ток. Чем выше интенсивность светового потока, тем больший ток будет протекать через фотопроводящий материал при одном и том же приложением напряжении.

Фотоэлектрические устройства сами вырабатывают электрическое напряжение при освещении. Как правило, они состоят из р-п переходов, и напряжение, возникающее на переходе, имеет положительную полярность со стороны области п. Это напряжение способно обеспечить протекание тока во внешней цепи, причем направление тока противоположно тому, в котором протекает ток в переходе. И аналогично: чем выше интенсивность светового потока тем больше ток. Фотоэлектрические диоды - фотодиоды - могут использоваться в качестве фотопроводящих элементов, если внешнее напряжение приложено к ним таким образом, что катод имеет положительный потенциал относительного анода.

Для изготовления фотодиодов используется германий, но в последнее время для этой цели все большее применение находит кремний. Кремниевые фотодиоды имеют меньшее значение темнового тока, т. е. тока при отсутствии освещения. Кремниевые пленарные диоды могут работать при температурах до 125°С и в типовом режиме обеспечивать максимальный световой ток до 500 мкА. Хорошие ключевые характеристики кремниевых фотодиодов делают их пригодными для использования в быстродействующих устройствах считывания информации с перфолент и устройствах распознавания букв.

Светодиоды. Световое излучение, вырабатываемое светодиодами (светоизлучающими диодами), обусловлено электролюминесценцией, т. е. процессом преобразования электрической энергии в световую. Подобное преобразование определяется тем обстоятельством, что электромагнитное излучение генерируется физической системой тогда, когда она переходит от состояния с высоким уровнем энергии к состоянию с низким уровнем энергии. Принцип действия: с р-n переходом связаны два энергетических уровня, зона проводимости и валентная зона, разделенные запрещенной зоной, в которой свободные электроны существовать не могут. При отсутствии внешнего напряжения уровень Ферми, который определяет степень заполнения зоны проводимости и валентной зоны, имеет величину, постоянную на протяжении всего перехода, а напряжение потенциального барьера на переходе приблизительно равно запрещенной зоне. Если приложить внешнее напряжение в прямом направлении, то это приведет к уменьшению потенциального барьера и появится возможность протекания тока через переход. Вообще говоря, этот ток представляет собой движение электронов у дырок, но электронная составляющая тока значительно больше. По мере движения электронов от области к области они переходят с одного электрического уровня на другой. В области р электроны рекомбинируют с дырками и отдают свою избыточную энергию. При определенной ширине запрещенной зоны эта высвобожденная энергия выделяется в форме видимого света. Интенсивность света, излучаемого светодиодом, возрастает при увеличении тока. Чтобы обеспечить требуемое пространственное распределение света, такой светодиод применяется совместно с линзами. Длина волны пли цвет излучаемых колебаний определяется используемым полупроводниковым материалом. В настоящее время для изготовления светодиодов применяют арсенид галлия, дающий излучение в инфракрасной области, фосфид арсенида галлия, излучающий красный или оранжевый свет, и фосфид галлия, который излучает желтый или зеленый свет. Глаз человека имеет максимальную чувствительность на зеленом участке спектра, поэтому фосфид галлия имеет наибольшую эффективность.

Вольт-амперные характеристики светодиода в прямом и обратном направлениях аналогичны характеристикам любых других р-n переходов. Прямое падение напряжения на светодиоде меняется от 1 до 4 В, а обратное пробивное напряжение находится в пределах от 5 до 50 В. Диодные оптроны. Они состоят из фотоизлучающего и фоточувствительного приборов, сконструированных в едином устройстве. Такие устройства применяются для передачи сигнала со входа на выход в тех случаях, когда требуется, чтобы вход и выход были электрически изолированы один от другого. Типовой диодный оптрон имеет в своем составе светодиод из арсенида галлия и кремниевый фотодиод или фототранзистор и обеспечивает высоковольтную изоляцию между входными и выходными зажимами.

шаг назад