Главная | Обратная связь

Способы создания pn-перехода

Введение

Дио́ддвухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то сеть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу — катодом.

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное. Идеальный выпрямитель должен при одной полярности ток пропускать, при другой полярности не пропускать. Свойства полупроводникового диода близки к свойствам идеального выпрямителя, поскольку его сопротивление в прямом направлении на несколько порядков отличается от сопротивления в обратном. К основным недостаткам полупроводникового диода следует отнести: при прямом смещении -наличие области малых токов на начальном участке и конечного сопротивления толщи r_s ; при обратном - наличие пробоя.

При электротехническом анализе схем с диодами отдельные ветви ВАХ представляют в виде прямых линий, что позволяет представить диод в виде различных эквивалентных схем. См. рисунок внизу. Выбор той или иной схемы замещения диода определяется конкретными условиями анализа и расчета устройства, включающего диоды.

Рассмотрим работу диода на активную нагрузку, соответствующая схема показана на следующем рисунке. Ток через диод описывается его вольтамперной характеристикой iд = f(uд) , ток через нагрузочное сопротивление, поскольку соединение последовательное, будет равен току через диод iд = iн = i и для него справедливо соотношение iн = (u(t) - uд)/Rн. На рисунке в одном масштабе показаны линии, описывающие обе эти функциональные зависимости: ВАХ диода и нагрузочную характеристику.

 

Как видно из рисунка, чем круче характеристика диода и чем меньше зона малых токов ("пятка"), тем лучше выпрямительные свойства диода. Заход рабочей точки в предпробойную область приводит не только к выделению в диоде большой мощности и возможному его разрушению, но и к потере выпрямительных свойств.

 

 

 

Конструкции диодов

Способы создания pn-перехода

При сплавной технологии изготовления диода или транзистора, электронно-дырочный переход образуется на границе раздела исходного кристалла и ре-кристаллизованной области, в которую происходило вплавление, см. нижний рисунок (а). На нижних рисунках (б) и (в) показаны различные способы изготовления PN перехода диффузией акцепторной примеси в кристалл N-типа.

 

 

Типы диодов

• Стабилитроны (диод Зенера). Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.
• Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки). Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы и пр.
• Варикапы (диоды Джона Джеумма). Используется то, что запертый p—n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости.
• Светодиоды (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор — и в УФ.
• Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют оптический резонатор, излучают когерентный свет.
• Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.
• Солнечный элемент. Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.
• Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.
• Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.
• Лавинный диод — диод, основанный на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики. Применяется для защиты цепей от перенапряжений
• Лавинно-пролётный диод — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.
• Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
• Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
• Смесительный диод — предназначен для перемножения двух высокочастотных сигналов.
• pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетекто

Туннельный диод

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб в вольтамперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50..150 Å при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области.^[1]

При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку тунелирование не может изменить полную энергию электрона^[2], вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Первый туннельный диод был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены др. полупроводниковые материалы, пригодные для получения туннельного диода: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др. В силу того что туннельный диод. в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.