Як влаштовані та працюють напівпровідникові діоди

Діод — найпростіший у славному сімействі напівпровідникових приладів. Якщо взяти пластинку напівпровідника, наприклад германію, і його ліву половину ввести акцепторную домішка, а праву донорну, то з одного боку вийде напівпровідник типу P, відповідно з іншого типу N. У середині кристала вийде, так званий P-N перехід , як показано малюнку 1.

На цьому малюнку показано умовне графічне позначення діода на схемах: висновок катода (негативний електрод) дуже схожий на знак «-». Так легше запам'ятати.

Усього в такому кристалі дві зони з різною провідністю, від яких виходять два висновки, тому отриманий прилад отримав назву діод оскільки приставка «ді» означає два.

В даному випадку діод вийшов напівпровідниковий, але подібні пристрої були відомі і раніше: наприклад, в епоху електронних ламп був ламповий діод, що називався кенотрон. Зараз такі діоди пішли в історію, хоча прихильники «лампового» звуку вважають, що в ламповому підсилювачі навіть випрямляч анодної напруги має бути ламповим!

Малюнок 1. Будова діода та позначення діода на схемі

На стику напівпровідників з P та N провідностями виходить P-N перехід (P-N junction) який є основою всіх напівпровідникових приладів. Але на відміну від діода, який має цей перехід лише один, транзистори мають два P-N переходи, а, наприклад, тиристори складаються відразу з чотирьох переходів.

P-N перехід у стані спокою

Навіть якщо P-N перехід, у разі діод, нікуди не підключений, однаково всередині нього відбуваються цікаві фізичні процеси, які показано малюнку 2.

Рисунок 2. Діод у стані спокою

У області N є надлишок електронів, вона має негативний заряд, а області P заряд позитивний. Разом ці заряди утворюють електричне поле. Оскільки різноіменні заряди мають властивість притягуватися, електрони із зони N проникають в позитивно заряджену зону P, заповнюючи деякі дірки. Внаслідок такого руху всередині напівпровідника виникає, хоч і дуже маленький (одиниці наноампер), але все-таки струм.

В результаті такого руху зростає густина речовини на стороні P, але до певної межі. Частинки зазвичай прагнуть поширюватися рівномірно по всьому об'єму речовини, подібно до того, як запах парфумів поширюється на всю кімнату (дифузія), тому рано чи пізно електрони повертаються назад у зону N.

Якщо більшості споживачів електроенергії напрям струму ролі не грає, — лампочка світиться, плитка гріється, то діода напрям струму грає величезну роль. Основна функція діода проводитиме струм в одному напрямку. Саме ця властивість забезпечується P-N переходом.

Далі розглянемо, як поводиться діод у двох можливих випадках підключення джерела струму.

Увімкнення діода у зворотному напрямку

Якщо до напівпровідникового діода підключити джерело живлення, як показано на малюнку 3, то струм через PN перехід не пройде.

Рисунок 3. Зворотне включення діода

Як бачимо на малюнку, до області N підключений позитивний полюс джерела живлення, а до області P – негативний.В результаті електрони з області N спрямовуються до позитивного полюса джерела. У свою чергу позитивні заряди (дірки) в області P притягуються негативним полюсом джерела живлення. заряду.

При збільшенні напруги джерела живлення електрони та дірки все сильніше притягуються електричним полем батарейки, в області P-N переходу носіїв заряду залишається все менше. напівпровідниковий діод замкнений зворотним напругою.

Збільшення густини речовини біля полюсів батареї призводить до виникнення дифузії , - Прагнення до рівномірного розподілу речовини по всьому об'єму.

Зворотний струм напівпровідникового діода

Ось тут якраз і настав час згадати про неосновних носіїв, які були умовно забуті. зворотний струм і створюється неосновними носіями, які можуть рухатися так само, як основні, тільки у зворотному напрямку.

З підвищенням температури кристала кількість неосновних носіїв збільшується, що призводить до зростання зворотного струму, що може призвести до руйнування P-N переходу.Щоб не допускати перегріву потужні діоди та транзистори встановлюються на тепловідведення – радіатори .

Включення діода у прямому напрямку

Показано малюнку 4.

Рисунок 4. Пряме включення діода

Тепер змінимо полярність включення джерела: мінус підключимо до області N (катоду), плюс до області P (аноду). При такому включенні в області N електрони відштовхуватимуться від мінуса батареї, і рухатимуться у бік P-N переходу. В області P відбудеться відштовхування позитивно заряджених дірок від плюсового виведення батареї. Електрони та дірки прямують назустріч один одному.

Заряджені частинки з різною полярністю збираються біля PN переходу, між ними виникає електричне поле. Тому електрони долають P-N перехід і продовжують рух через зону P. При цьому частина з них рекомбінує з дірками, але більша частина спрямовується до плюс батарейки, через діод пішов струм Id.

Цей струм називається прямим струмом . Він обмежується технічними даними діода деяким максимальним значенням. Якщо це значення буде перевищено, виникає небезпека виходу діода з ладу. Слід, проте, зауважити, що напрямок прямого струму малюнку збігається із загальноприйнятим, зворотним руху електронів.

Можна також сказати, що за прямому напрямку включення електричний опір діода порівняно невеликий. При зворотному включенні цей опір буде в багато разів більшим, струм через напівпровідниковий діод не йде (незначний зворотний струм тут не береться до уваги). З усього вищесказаного можна дійти невтішного висновку, що діод веде себе подібно до звичайного механічного вентиля: повернув в один бік - вода тече, повернув в інший - потік припинився . За цю властивість діод отримав назву напівпровідникового вентиля .

Щоб детально розібратися у всіх здібностях та властивостях напівпровідникового діода, слід познайомитись з його вольт – амперною характеристикою . Також непогано дізнатися про різні конструкції діодів і частотні властивості, про переваги і недоліки. Про це буде розказано у наступній статті.

Інформація, опублікована на даному веб-сайті, представлена ​​виключно з метою ознайомлення, за застосування цієї інформації адміністрація сайту відповідальності не несе.

Напівпровідниковий діод

Напівпровідниковий діод, двоелектродний електронний прилад, виготовлений на основі напівпровідникового кристала; різновид напівпровідникового приладу. Поняття «напівпровідниковий діод» поєднує прилади з різними принципами дії, що мають різноманітне призначення. Дія напівпровідникового діода обумовлена ​​властивостями або електронно-діркового переходу, або контакту метал – напівпровідник (діоди Шоттки), або об'ємним ефектом доменної нестійкості однорідного напівпровідника (діоди з міждолинним переходом електронів).

Напівпровідникові діоди, робота яких заснована на використанні р-n-переходу, набули найбільшого поширення. Якщо до p–n-переходу діода докласти напругу у прямому напрямку, коли позитивний полюс джерела живлення з'єднується з областю р-Типу, а негативний - з областю n-Типу, то потенційний бар'єр переходу знижується і через діод протікає великий прямий струм. При подачі напруги зворотної полярності потенційний бар'єр підвищується через p–n-Перехід протікає лише дуже малий струм неосновних носіїв заряду (зворотний струм).Вольт-амперна характеристика напівпровідникової структури p–n-Переходом є несиметричною. На цій властивості заснована робота випрямляючих напівпровідникових діодів, призначених для перетворення змінного струму (з частотою, як правило, до 5 кГц) на постійний струм. Частотна межа випрямного напівпровідникового діода обмежена інерційністю, яка визначається часом життя неосновних носіїв заряду. Для випрямних пристроїв та інших сильноточних електричних кіл випускають випрямні напівпровідникові діоди, що мають допустимий випрямлений струм до 300 А і максимальну допустиму зворотну напругу U_обр до кількох кіловольт. Для підвищення U_обр до кількох десятків кіловольт використовують випрямлячі стовпи.

Легування напівпровідників домішками (в основному золотом) дозволило істотно зменшити час життя носіїв заряду і створити швидкодіючі імпульсні напівпровідникові діоди (з часом перемикання 10-7-10-10 с), призначені головним чином для роботи в режимі перемикання електричних кіл.

При певних зворотних (т.з. пробивних) напругах у p–n-Переході виникає електричний пробій, що призводить до різкого зростання струму при практично незмінному напрузі на напівпровідниковому діоді. На цьому ефекті заснована робота напівпровідникових стабілітронів , що застосовуються головним чином у стабілізаторах та обмежувачах постійної та імпульсної напруги, як джерело опорної напруги та в потенціометричних пристроях.

Інерційність розвитку лавинного пробою в p–n-переході зумовлює виникнення негативного диференціального опору в діапазоні НВЧ, пов'язаного зі зсувом фаз між струмом та напругою в діоді. Цей принцип лежить в основі роботи лавинно-пролітних діодів, що застосовуються для генерації НВЧ коливань, частотна межа яких досягає 150 ГГц. Лавинний пробій p–n-Переходу супроводжується значними флуктуаціями, що призводять до великої величини шуму, що використовується в шумових діодах.

Напівпровідниковий перехід при подачі зворотної напруги (що не перевищує U_обр) веде себе як конденсатор, ємність_Б якого залежить від прикладеної напруги. Цю властивість використовують у варикапах , що застосовуються для електронної перебудови резонансних частот коливальних контурів , параметричних НВЧ-діодах, що служать для посилення амплітуди сигналу, в множильних НВЧ-діодах – для множення частоти сигналу. Напівпровідникові НВЧ-діоди, що служать для детектування та перетворення електричних сигналів у НВЧ-діапазоні (детекторні НВЧ-діоди, змішувальні НВЧ-діоди та ін.), зазвичай монтують безпосередньо в хвилеводних системах, що висуває певні вимоги до конструктивного оформлення. до вибору структури та геометрії напівпровідникового кристала. Найчастіше вони є точкові діоди з випрямляючим контактом метал – напівпровідник. Зменшення площі p–n-переходу та використання структури з бар'єром Шоттки забезпечують мале значення ємності С_Б таких напівпровідникових діодів. Для отримання низького опору бази r_б (Основне джерело активних втрат) зазвичай на вихідну напівпровідникову пластинку з малим питомим опором (підкладку) наносять тонкий шар високоомного напівпровідника методом епітаксійного нарощування. Для управління рівнем потужності в лініях передачі НВЧ застосовуються перемикальні НВЧ-діоди, робота яких заснована на різкій зміні їх електричного опору при зміні полярності напруги, що підводиться, а також обмежувальні діоди.

До напівпровідникових НВЧ-діодів відносять також тунельні діоди і звернені діоди, дія яких заснована на тунельному ефекті, що виникає в p–n-переході шириною трохи більше 10 –2 мкм. Практична безінерційність цих приладів у діапазоні НВЧ забезпечує успішну роботу тунельних діодів у швидкодіючих імпульсних пристроях (мультівібраторах, тригерах та ін), в підсилювачах та генераторах електричних коливань, а звернених діодів – як детектори та змішувачі НВЧ-сигналів.

Особливу групу напівпровідникових діодів (що не містять p–n-переходу) складають діоди з міждолинним переходом електронів (діоди Ганна), у яких завдяки особливостям зонної структури певного класу напівпровідників (головним чином GaAs, InP) у сильному електричному полі виникає негативна диференціальна провідність. Діоди Ганна використовуються для посилення та генерації НВЧ-коливань із частотою до 100 ГГц.

Властивість фотонів і ядерних частинок утворювати електронно-діркові пари і збільшувати цим зворотний струм p–n-переходу при поглинанні випромінювання в активній області напівпровідникового кристала, що безпосередньо примикає до переходу, покладено в основу фотодіодів і детекторів напівпровідникових ядерних випромінювань.Оптимальною для даного типу діодів є p–i–n-структура, характеристики якої багато в чому подібні до характеристик p–n-переходу. Випромінювальна рекомбінація електронів і дірок в умовах протікання через p–n-перехід прямого струму, характерна для деяких напівпровідникових структур, використовується в випромінюючих діодах і напівпровідникових лазерах, які також можуть бути віднесені до напівпровідникових діодів.

До напівпровідникових діодів відносять також некеровану чотиришарову. p-n-p-n-структуру; такі прилади називаються диністорами.

Для виготовлення напівпровідникових діодів широко застосовують планарну технологію, при цьому набули поширення різні технологічні методи (сплавлення, дифузія, епітаксійне нарощування та ін.). , GaP, InP) та їх тверді розчини‚ як контактних матеріалів – золото, алюміній, олово, нікель, мідь.

З розвитком напівпровідникової електроніки відбувся перехід до виробництва (поряд з дискретними напівпровідниковими діодами) діодних структур у монолітних напівпровідникових інтегральних схемах і функціональних пристроях.

Від своїх електровакуумних аналогів (наприклад, кенотрону, газорозрядного стабілітрона) напівпровідникові діоди відрізняються, як правило, значно більшою надійністю та довговічністю, меншими габаритними розмірами та масою, кращими технічними характеристиками, меншою вартістю і тому витісняють їх у більшості областей. Напівпровідникові діоди застосовуються в радіоелектроніці, електротехніці, обчислювальній техніці та автоматиці; використовуються в пристроях передачі та відображення інформації та ін.

Аладінський Володимир Костянтинович. Перша публікація: Електроніка: енциклопедичний словник, 1991.

Опубліковано 23 листопада 2023 р. о 10:54 (GMT+3). Останнє оновлення 23 листопада 2023 р. о 10:54 (GMT+3). Зв'язатися з редакцією

Що таке напівпровідниковий діод

Напівпровідниковий діод (ПД) - це електронний пристрій з двома електродами на базі монокристалічної речовини, що має електрофізичні властивості напівпровідника. Основне призначення діода - пропускати струм тільки в одному напрямку та блокувати у зворотному (стабілітрони, стабістори) забезпечується за допомогою p-n-переходу, сформованого в напівпровіднику. Світлочутливі властивості переходу використовуються у фото- та світлодіодах. Розроблені та застосовуються в електронних схемах ПД без p-n-переходу (діоди Шоттки, діоди Ганна), які знайшли своє застосування у НВЧ-пристроях.

Від вакуумного діода до напівпровідникового

Терміном діод називається двоелектродний елемент електроніки (від грецького «ді-» - два, закінчення «-од» - шлях), що має суттєву різницю в електропровідності при зміні полярності напруги, поданої на його електроди. Один з електродів називається "анод", другий - "катод".Перші діоди були скляними лампами, в які були впаяні металеві електроди. Джерелом електронів у них є розігрітий катод, через який пропускається струм, що збуджує термоелектронну емісію.

Якщо до анода прикладена позитивна напруга, виникає потік електронів, що вилетіли з катода в напрямку анода, тобто, в ланцюзі формується струм (діод відкритий). У разі подачі на анод негативної напруги електрони відштовхуються в зону катода - струм у ланцюзі відсутній (діод закритий). Цей фізичний механізм застосовується для випрямлення змінного струму та детектування високочастотних радіосигналів. У ламповому діоді поліпшення термоелектронної емісії поруч із катодом додається нитка розжарення. Вперше електровакуумний діод був запатентований англійським дослідником у галузі радіотехніки Д. А. Флемінгом у 1904 р.

В даний час ПД практично витіснили вакуумні аналоги з областей масового застосування з наступних причин:

• Лампи мають значно більші габаритні розміри і масу.
• Скляна колба потребує додаткових заходів захисту від випадкових ударів, падінь чи вібрації. Цей недолік відсутній у напівпровідникових аналогів.

Початок напівпровідникової ери

Цікаво, що кристалічний напівпровідниковий діод був винайдений та запатентований майже одночасно з вакуумним. Німецький фізик К. Ф. Браун в 1874 р. виявив діодний ефект, що випрямляє, у кристалів PbS (сульфід свинцю) і CdS (сульфід кадмію). На малюнку нижче представлена ​​конструкція випрямляча на основі напівпровідника. Видно, що тонкий дротяний контакт упирається в кристал, утворюючи перехід метал-напівпровідник.Така конфігурація, але тільки в сучасному мікроелектронному виконанні є не що інше, як діод Шоттки. У 1899 р. До. Ф. Браун отримав перший патент на напівпровідниковий випрямляч.

Подальший розвиток напівпровідникової електроніки пов'язаний з відкриттям та вивченням фізичних параметрів p-n-переходу.

Що таке p-n-перехід

Принцип роботи більшості елементів твердотільної електроніки (діодів, тиристорів, транзисторів та мікросхем) базується на електрофізичних властивостях p-n-переходу. Як основа зазвичай використовується монокристалічний кремній, хоча для вирішення окремих завдань можуть застосовуватися інші напівпровідники - германій (Ge), арсенід галію (GaAs). За допомогою різних технологій легування (впровадження) додатковими домішками в кремнії формуються дві області, що межують один з одним. Одна з них має електронну провідність і називається n-областю (донорні домішки - миш'як (As), сурма (Sb), фосфор (P)), а друга - p-областю (домішки-акцептори - алюміній (Al), індій (In ), галій (Ga)) і має діркову провідність.

Перехідний прикордонний шар називається p-n-переходом. Він має низку унікальних електричних та оптичних властивостей. Існує два варіанти включення діода у пристроях:

• На анод, яким є p-шар, подається позитивна напруга (плюс), але в катод (n-шар) — негативне (мінус). І тут перехід відкритий, опір ПД мінімальне, струм тече вільно.
• Коли на катоді плюс, а аноді мінус, p-n-перехід розширюється, його опір різко збільшується, а так званий зворотний струм через ПД падає до мінімального значення.

Як і у випадку з ламповими діодами, з'явилася можливість для перетворення електричних сигналів (випрямлення, детектування, стабілізація), але твердотільні діоди влаштовані так, що мають незаперечні переваги в частині надійності, компактності, механічної стійкості.

Вольт-амперна характеристика ПД

ВАХ - це залежність струму, що протікає через діод, від прикладеного до електродів напруги. Вольтамперна характеристика типового напівпровідникового діода описується такою формулою:

Графічне уявлення ВАХ кремнієвого та германієвого напівпровідникового діода показано на малюнку нижче. По осі ординат у позитивному напрямку струм I_пр (прямий струм) росте експоненційно від U_пр. При зворотній напрузі (мінус на аноді плюс на катоді) струм виходить на постійне значення I_обрщо відповідає стану діода «закрито». Струм прямого включення I_пр на кілька порядків перевищує зворотний струм.

У германієвого діода «відкриття» починається при U * = 0.1-0.2 В, а у кремнієвого при 0.5-0.6 В. Щоб експоненційне зростання струму не призвело до перегріву та руйнування кристалічної структури, послідовно з ПД включається резистор-обмежувач.

U_пр всім величин робочих струмів вбирається у наступних значень:

При подальшому збільшенні зворотної напруги відбувається великий лавиноподібний стрибок струму, зростання температури кристала, що призводить до пробою p-n-переходу.

Типи напівпровідникових діодів

В даний час розроблені та тиражуються види електронних та оптичних напівпровідникових діодів у широкому асортименті. Класифікуються вони за низкою ознак, серед яких конструктивні особливості, призначення, матеріал виготовлення.Існують напівпровідникові діоди, які працюють без p-n-переходу. Вони використовують лише властивість контакту метал-напівпровідник. По конструктивному виконанню діоди можуть бути точкові та площинні, а по виготовленню - сплавні та дифузійні.

Класифікація діодів відбивається у тому умовних позначеннях. Маркування ґрунтується на буквенно-цифровому коді. Усі знаки системи позначень вказані у галузевих стандартах - ОСТ 11336.919-81 та ГОСТ 20859.1-89. Наприклад, маркування КД196В розшифровується як кремнієвий випрямний діод напругою 9.6 з характеристиками класу «В».

Випрямлювальні ПД

Для початку розглянемо, що таке напівпровідниковий випрямний діод (ВД). Основне призначення даного електротехнічного пристрою - перетворення змінного струму на постійний.

На ринку представлені ВД із різними фізичними параметрами. Пристрої мають різноманітні геометричні розміри та монтажні особливості. Розрізняють три групи ВД:

• Великі потужності, здатні забезпечувати роботу при струмах до 400 А. Виробляються в корпусах двох типів: штирьовою та у вигляді таблетки (корпус з кераміки).
• Середня потужність. Чи здатні працювати в діапазоні 300 мА-10 А.
• Мінімальна потужність. Максимальний робочий струм – 300 мА.

Стабілітрони

Цей тип ПД має ще одну назву - діод Зенера, на ім'я винахідника - американського фізика До. М. Зенера. Цей тип ПД на основі слаболегованого кремнію працює при зворотній напрузі в режимі електричного пробою. Основне призначення стабілітрона - стабілізація напруги. Діоди Зенера, що випускаються промисловістю, можуть забезпечувати стабільну напругу з необхідною точністю в діапазоні від 1.8 В до 400.0 В.

Стабистори

Пристрій і принцип роботи стабісторів також дозволяє використовувати їх для стабілізації напруги, але на відміну від стабілітронів вони працюють на гілки ВАХ в області прямого зміщення, оскільки напруга на цій ділянці майже не залежить від струму. Стабілізується одним ПД напруга становить близько 0.7 В. Набір послідовно з'єднаних стабісторів дозволяє подвоїти або потроїти це значення. На малюнку нижче показано ВАХ ПД, однією з ділянок якої функціонує стабістор, але в іншому — стабилитрон. Ці радіодеталі на схемі мають однакове умовне позначення. На малюнку показано також, як позначається симетричний стабістор.

Варикапи

Цей вид ПД працює при зворотному зміщенні як змінну ємність (конденсатор), величина якого змінюється в залежності від поданого електричного сигналу. Принцип дії пристрою ґрунтується на реагуванні бар'єрної ємності p-n-переходу від зворотного зміщення.

Варикапи знаходять своє застосування в електронних схемах налаштування частоти коливальних контурів, частотних дільників та помножувачів, частотних модуляторів, фазообертачів.

PIN-діоди

Напівпровідниковий PIN-діод — це пристрій, в якому між електронною n-областю та дірковою p-областю є значний нелегований i-шар, що пригнічує випрямляючі властивості ПД. PIN-діоди використовуються в атенюаторах (послаблювачів рівнів сигналів), фотодекторах, швидкодіючих перемикачах та високовольтній електроніці.

Лавинно-пролітні діоди (ЛПД)

Робота ЛПД (англійська назва IMPATT-diode) базується на ефекті лавинного множення заряджених частинок. ЛПД застосовуються у схемах НВЧ-генерації. Робоча область ЛПД – ділянка лавинного пробою.

Тунельний діод

Це напівпровідниковий прилад, який часто називають діод Есакі на ім'я автора винаходу - японського фізика Лео Есакі. У структуру тунельного діода включено p-n-перехід, обидві області провідності якого леговані до гранично можливих концентрацій 1019 см -3 і вище. На ділянці ВАХ у прямому напрямку з'являється ділянка з негативним диференціальним настроєм, що виникає завдяки квантовому ефекту тунелювання.

Тунельний діод призначений в основному для використання як попередні підсилювачі, генератори і високочастотні перемикачі. Робочі частоти діода мають досить високі параметри, що можуть досягати 100 ГГц. Як вихідні напівпровідники застосовуються германій (Ge), арсенід галію (GaAs), антимонід галію (GaSb).

Діоди Шоттки

Ці радіоелементи називаються так на честь винахідника — німецького дослідника В. Шоттки. У них відсутній p-n-перехід. Замість нього застосовується бар'єр Шоттки, утворений контактом метал-напівпровідник. Використання цього бар'єру обумовлює зовсім інші фізичні механізми. Працюючи ПД використовує виключно основні носії заряду, у своїй швидкодія обмежується лише величиною бар'єрної ємності.

Діоди Шоттки застосовуються скрізь, де потрібне мінімальне значення прямого падіння напруги (менше 0.6 В), а також у високочастотних схемах. Найчастіше їх можна зустріти в стабілізаторах імпульсних напруги, а також в блоках живлення комп'ютерів.

Наведена класифікація ПД можна доповнити діодами, у яких використовуються оптичні властивості напівпровідників. У світлодіодах (LED – light emitted diode) p-n-перехід випромінює світло у широкому діапазоні спектру: від інфрачервоного до ультрафіолетового. У фотодіодах використовують властивості переходу генерувати струм при освітленні його світлом. На основі світлодіодів доповнених компактними резонаторами реалізовані напівпровідникові лазери.