Контакт двух полупроводников n- и p- типов называют p-n-переходом или n-p –переходом. В результате контакта между полупроводниками начинается диффузия. Некоторая часть электронов переходит к дыркам, а некоторая часть дырок переходит на сторону электронов.
В результате чего полупроводники заряжаются: n- положительно, а p – отрицательно. После того, как электрическое поле, которое будет возникать в зоне перехода, начнет препятствовать перемещению электронов и дырок, диффузия прекратится.
При подключении pn-перехода в прямом направлении он будет пропускать через себя ток. Если же подключить pn-переход в обратном направлении, то он не будет практически пропускать ток.
На следующем графике показаны вольт-амперные характеристики прямого и обратного подключения pn-перехода.
Изготовление полупроводникового диода
Сплошной линией нарисована вольт-амперная характеристика прямого подключения pn-перехода, а пунктирной – обратного подключения.
Из графика видно, что pn-переход по отношению к току несимметричен, так как в прямом направлении сопротивление перехода намного меньше, чем в обратном.
Свойства pn-перехода широко используются для выпрямления электрического тока. Для этого на основе pn-перехода изготавливают полупроводниковый диод.
Обычно для изготовления полупроводниковых диодов используют германий, кремний, селен и ряд других веществ. Рассмотрим подробнее процесс создания pn-перехода, используя германий с полупроводимостью n-типа.
Такой переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников с разными типами проводимости. Это невозможно,потому что при этом между полупроводниками получается слишком большой зазор.
А нам необходимо, чтобы толщина pn-перехода должна быть не больше межатомных расстояний. Во избежание этого, в одну из поверхностей образца вплавляют индий.
Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью p-типа, в котором содержатся атомы индия, нагревают до высокой температуры. Пары примесей n-типа осаждаются на поверхности кристалла. Далее вследствие диффузии они внедряются в сам кристалл.
На поверхности кристалла, у которого проводимость p-типа, образуется область с проводимостью n-типа. На следующем рисунке схематично показано как это выглядит.
Для того, чтобы исключить воздействие воздуха и света на кристалл, его помещают в герметичный металлический корпус. На принципиальных электрических схемах, диод обозначают с помощью следующего специального значка.
Полупроводниковые выпрямители обладают очень высокой надежностью и долгим сроком службы. Основным их недостатком является то, что они могут работать лишь в небольшом интервале температур: от -70 до 125 градусов.
В настоящее время для изготовления переходов в арсениде галлия используют три основные группы методов: диффузию, эпитаксию из газовой фазы и эпитаксию из жидкой фазы. Применявшийся ранее в полупроводниковой технике метод вплавления теперь не используется в технологии ПКГ, поскольку он не дает резного и плоского электронно-дырочного перехода и потому непригоден для изготовления лазерных диодов. Поэтому сейчас основными методами изготовления диодов ПКГ являются методы диффузии и эпитаксии.
8.3.1. Метод диффузии
Теория диффузии основана на предположении, что атомы примеси не взаимодействуют друг с другом в процессе диффузии, и скорость диффузии не зависит от их концентрации. На основании этого предположения выведены фундаментальные уравнения диффузии - законы Фика. Первый закон Фика определяет диффузионный поток как величину, пропорциональную градиенту концентрации (в изотермических условиях при одномерной диффузии)
где - концентрация диффундирующих атомов; х - координата расстояния; коэффициент диффузии.
Второй закон Фика определяет скорость диффузии
Исходя из этих законов, можно найти распределение концентрации примеси в полуограниченном образце. Для случая, когда исходная концентрация в объеме кристалла близка к нулю, а поверхностная концентрация составляет и остается постоянной, концентрация примеси через время х на глубине х равна
Если же диффузия происходит из тонкого слоя толщиной с концентрацией примеси на единицу
поверхности то распределение примеси выражается уравнением
Определение концентрационных профилей распределения примеси в образце производят либо методом радиоактивных индикаторов, либо зондовым методом измерения «растекания сопротивления» по косому срезу образца.
Зависимость коэффициента диффузии от температуры имеет вид
Однако эта зависимость не всегда выдерживается в бинарных полупроводниках ввиду отклонений от закона Фика, поскольку примесь взаимодействует с одним из компонентов соединения или с вакансиями, образующимися вследствие испарения летучего компонента при диссоциации соединения. Иногда в результате взаимодействия примеси с компонентами соединения образуются новые соединения, более устойчивые, чем исходный бинарный полупроводник. В соединениях типа диффузия происходит посредством движения атомов по узлам подрешетки элементов III и V групп. Энергия активации диффузии при этом зависит от типа подрешетки, по узлам которой происходит диффузия. Однако этот механизм не единственный; возможна, например, диффузия примеси по междоузлиям. Диффузия различных примесей в бинарные полупроводники рассмотрена в обзорах . Данные по диффузии примесей в арсенид галлия приведены в табл. 8.3.
Изготовление переходов методом диффузии можно производить посредством диффузии как доноров в арсенид галлия -типа, так и акцепторов в материал -типа. Поскольку диффузия доноров происходит очень медленно, то обычно производят диффузию акцепторов. Самыми распространенными легирующими примесями, используемыми для изготовления инжекционных являются акцептор - цинк и донор - теллур. Промышленность выпускает монокристаллы арсенида галлия, предназначенные для производства ПКГ, легированные теллуром до концентраций Эти
(кликните для просмотра скана)
концентрации, как было показано выше, и являются оптимальными. Электронно-дырочный переход в пластинах, вырезанных из этих монокристаллов, производят диффузией цинка, которая позволяет при не слишком высоких температурах достаточно быстро изготавливать переход на любой желаемой глубине.
Поступающие на диффузию пластины арсенида галлия должны быть специально подготовлены. Прежде всего, рентгеновским способом выявляют у кристалла плоскость с индексом (100). Затем кристалл разрезают на пластины параллельно этой кристаллографической плоскости. Выбор плоскости определяется следующими соображениями. Кристаллы соединений легко скалываются по плоскости (110). В кубической структуре сфалерита, характерной для этих соединений, имеется три плоскости (110), перпендикулярные плоскости (111), и две перпендикулярные (100). Если выбирается плоскость (111), то могут быть изготовлены треугольные диоды ПКГ.
Диоды с типичными резонаторами Фабри-Перо легко изготавливаются из пластин, вырезаных параллельно плоскости (100) простым двукратным сколом вдоль (110). Эти плоскости резонатора должны быть строго перпендикулярны будущему переходу, поскольку толщина активного слоя диода составляет всего лишь 1-2 мкм. Следовательно, ничтожные отклонения плоскости резонатора могут привести к выходу излучения из активной области. Для того чтобы выполнить это требование, одну сторону пластины сошлифовывают порошком с размером зерен 5 мкм перпендикулярно сколотым плоскостям еще до проведения диффузии. Шлифованную поверхность пластины полируют вручную на стекле полировочным порошком (с размером зерен сначала 1 мкм, а затем 0,3 мкм). Иногда еще применяют химическое полирование.
Процесс диффузии цинка в полированную пластину арсенида галлия проводят либо в закрытом объеме (в запаянной ампуле), либо в проточной системе. Чаще, однако, используют закрытую систему. Для этого ампулу предварительно откачивают до остаточного давления около мм рт. ст. В качестве источника цинка берут либо элементарный цинк, либо его соединения Последнее соединение представляет собой смесьтвердых фаз соотношение
которых выбирают в зависимости от температурных условий диффузии. Если в качестве источника примеси применяют элементарный цинк, то в ампулу помещают и элементарный мышьяк в соотношении или Как будет показано ниже, давление мышьяка в ампуле имеет большое значение в этом процессе.
Существуют три варианта диффузионных процессов, применяемых в технологии для образования переходов.
1. Одноэтапная диффузия цинка в атмосфере мышьяка в пластину (100) или (111) проводится при температуре в течение Цинк и мышьяк загружают в ампулу в соотношении общая концентрация их в газовой фазе должна составлять По окончании процесса ампулу резко охлаждают водой. Продолжительность процесса выбирают в зависимости от желаемой глубины залегания перехода.
В результате трехчасовой диффузии в этих условиях переход образуется на глубине около 20 мкм.
2. Диффузия цинка с последующим отжигом в атмосфере мышьяка. Процесс диффузии аналогичен описанному выше, но по окончании процесса диффузии пластину помещают в другую ампулу, куда также помещают мышьяк в количестве Ампулу с загрузкой откачивают до мм рт. ст. и выдерживают в печи при температуре 900 °С в течение Отжиг способствует расширению компенсированной области, выравниванию активного слоя перехода, созданию плавного, нерезкого перехода. Оптимальными условиями являются следующие: I этап (диффузия) - температура концентрация цинка соотношение продолжительность I этапа II этап (отжиг) - температура 900 или - концентрация мышьяка продолжительность II этапа Глубина диффузии в этих условиях составляет около 8 мкм.
3. Трехэтапная диффузия. К описанному выше двухэтапному процессу диффузии добавляют третий этап - неглубокую диффузию цинка с образованием слоя
По окончании процесса диффузии и охлаждения ампулы пластину арсенида галлия вынимают и скалывают ее край для выявления перехода, определения глубины его залегания и визуального наблюдения его характеристик: ровности, ширины и др. Для того чтобы
сделать переход отчетливо видимым, скол подвергают травлению в растворе или Каплю раствора наносят на сколотую поверхность и выдерживают в течение 15 - 30 с, после чего пластину споласкивают дистиллированной водой. На травленой поверхности могут быть замечены две линии: нижняя линия определяет границу перехода, а верхняя - место, где начинается вырождение материала -типа.
Механизм диффузии цинка в арсенид галлия. Распределение концентрации цинка в арсениде галлия в результате диффузии носит аномальный характер. Для диффузии цинка при температурах ниже может быть описано гауссовой функцией ошибок, т. е. уравнениями (8.4) и (8.5); при этом величины коэффициентов диффузии могут быть вычислены с учетом параметров, приведенных в табл. 8.3. Для температур диффузии выше 800 °С распределение цинка в арсениде галлия не подчиняется этой классической закономерности. Типичные примеры аномального распределения цинка показаны на рис.
8.13 для диффузии при температуре в течение
Аномальные явления, при диффузии цинка в арсенид галлия являются предметом многочисленных исследований. Замечены следующие факты.
Рис. 8.13. Профили распределения концентрации цинка в пластине арсеиида галлия для различных поверхностных концентраций при температуре диффузии и продолжительности около
При температурах диффузии выше коэффициент диффузии цинка сильно зависит от концентрации мышьяка, а растворимость цинка в арсениде галлия повышается даже на три порядка (с 1017 до Наличие дефектов, несовершенств структуры, дислокаций ускоряет диффузию и ухудшает плоскостность перехода. Особого внимания заслуживают исследования диффузии в изоконцентрационных условиях, т. е. при отсутствии градиента концентрации цинка на образце.
Атомы цинка могут находиться в арсениде галлия либо на местах галлия либо в междоузлиях Следовательно, диффузия цинка может происходить по галлиевым вакансиям и по междоузлиям. Закон Фика для такого двойного механизма диффузии может быть выражен уравнением
где и - коэффициенты диффузии цинка по междоузлиям и по механизму замещения галлия.
Это уравнение можно упростить, введя эффективный коэффициент диффузии:
Результаты изоконцентрационной диффузии показывают, что при высоких концентрациях цинка преобладает диффузия по междоузлиям, т. е.
Следовательно, и изоконцентрационная диффузия может быть описана уравнением (8.4). Коэффициент изоконцентрационной диффузии может быть вычислен на основе анализа концентрации атомов междоузельного цинка и вакансий галлия. Сильная зависимость его от концентрации цинка показана на рис. 8.14.
Рис. 8.14, Зависимость коэффициента диффузии цинка в арсениде галлия от концентрации цинка.
Однако в реальных технологических условиях при высоких температурах поверхностная концентрация цинка на арсениде галлия достигала незначительно превышала плотность паров цинка в ампуле. При отсутствии давления мышьяка в ампуле распределение цинка в образце невоспроизводимо искажалось, и
Переход получался неровным, особенно при низких концентрациях цинка. Введение в ампулу мышьяка существенно исправляло положение. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации цинка значительно уменьшалась, диффузия протекала более закономерно, переход получался ровным.
Следует обратить внимание на тот факт, что аномальные явления в диффузии цинка возникают при температурах выше температуры начала разложения арсенида галлия Поэтому в ампуле должно быть создано давление мышьяка, по крайней мере равное давлению диссоциации арсенида галлия при данной температуре. Кроме того, поскольку цинк образует с мышьяком два конгруэнтно плавящихся соединения: то можно ожидать образования их как на источнике цинка, так и на поверхности арсенида галлия. Эти процессы, как и диссоциация арсенида галлия, могут привести к выделению жидкого галлия и образованию галлиевых растворов цинка и арсенида галлия, вследствие чего возникают локальные поверхностные нарушения, в дальнейшем искажающие диффузионный профиль и переход. Чтобы устранить эти поверхностные нарушения и приблизить диффузию к изоконцентрационному режиму, иногда проводят диффузию цинка через пленку нанесенную на арсенид галлия, или же из пленки легированной цинком.
Условия достижения воспроизводимой диффузии цинка в арсенид галлия могут быть определены н? основании рассмотрения фазовых диаграмм равновесия галлий-мышьяк-цинк (рис. 8.15).
Если в качестве диффузанта используется только элементарный цинк, то будет происходить перенос мышьяка из арсенида галлия на источник цинка до образования равновесных фаз арсенидов цинка на обеих поверхностях. Естественно, это приведет к выделению жидкого галлия, нарушению поверхности пластины и искажению фронта диффузии.
Если источником являются цинк и мышьяк или арсениды цинка то все зависит от количества диффузанта, его состава и температуры. При малых количествах диффузанта (несколько ампулы) конденсированной фазы не образуется - весь цийк и мышьяк в паровой фазе. Поверхностных нарушений перехода от продолжительности диффузии и температуры выражается
Сильно зависит от концентрации примесей. Полупроводники, электрофизические свойства которых зависят от примесей других химических элементов, называются примесными полупроводниками. Примеси бывают двух видов донорной и акцепторной.
Донорной называется примесь, атомы которой дают полупроводнику свободные электроны, а получаемая в этом случае электропроводность, связанная с движением свободных электронов, - электронной . Полупроводник с электронной проводимостью называется электронным полупроводником и условно обозначается латинской буквой n - первой буквой слова «негативный».
Рассмотрим процесс образования электронной проводимости в полупроводнике. За основной материал полупроводника возьмём кремний (кремниевые полупроводники самые распространённые). У кремния (Si) на внешней орбите атома есть четыре электрона, которые обуславливают его электрофизические свойства (т.е. они перемещаясь под действием напряжения создают электрический ток). При введении в кремний атомов примеси мышьяка (As), у которого на внешней орбите пять электронов, четыре электрона вступают во взаимодействие с четырьмя электронами кремния, образуя ковалентную связь, а пятый электрон мышьяка остаётся свободным. При этих условиях он легко отделяется от атома и получает возможность перемещаться в веществе.
Акцепторной называется примесь, атомы которой принимают электроны от атомов основного полупроводника. Получаемая при этом электропроводность, связанная с перемещением положительных зарядов - дырок, называется дырочной. Полупроводник с дырочной электропроводностью называется дырочным полупроводником и условно обозначается латинской буквой p - первой буквой слова «позитивный».
Рассмотрим процесс образования дырочной проводимости. при введении в кремний атомов примеси индия (In), у которого на внешней орбите три электрона, они вступают в связь с тремя электронами кремния, но эта связь оказывается неполной: не хватает ещё одного электрона для связи с четвёртым электроном кремния. Атом примеси присоединяет к себе недостающий электрон от одного из расположенных поблизости атомов основного полупроводника, после чего он оказывается связанным со всеми четырьмя соседними атомами. Благодаря добавлению электрона он приобретает избыточный отрицательный заряд, то есть превращается в отрицательный ион. В тоже время атом полупроводника, от которого к атому примеси ушёл четвёртый электрон оказывается связанным с соседними атомами только тремя электронами. таким образом, возникает избыток положительного заряда и появляется незаполненная связь, то есть дырка .
Одним из важных свойств полупроводника является то, что при наличии дырок через него может проходить ток, даже если в нём нет свободных электронов. Это объясняется способностью дырок переходить с одного атома полупроводника на другой.
Перемещение «дырок» в полупроводнике
Вводя в часть полупроводника донорную примесь, а в другую часть - акцепторную, можно получить в нём области с электронной и дырочной проводимостью. На границе областей электронной и дырочной проводимости образуется так называемый электронно-дырочный переход.
P-N-переход
Рассмотрим процессы происходящий при прохождении тока через электронно-дырочный переход . Левый слой, обозначенный буквой n, имеет электронную проводимость. Ток в нём связан с перемещением свободных электронов, которые условно обозначены кружками со знаком «минус». Правый слой, обозначенный буквой p, обладает дырочной проводимостью. Ток в этом слое связан с перемещением дырок, которые на рисунке обозначены кружками с «плюсом».
Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости
Движение электронов и дырок в режиме обратной проводимости.
При соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости электроны вследствие диффузии начнут переходить в p-область, а дырки - в n-область, в результате чего пограничный слой n-области заряжается положительно, а пограничный слой p-области - отрицательно. Между областями возникает электрическое поле, которое является как бы барьеров для основных носителей тока, благодаря чему в p-n переходе образуется область с пониженной концентрацией зарядов. Электрическое поле в p-n переходе называют потенциальным барьером, а p-n переход - запирающим слоем. Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению поля p-n перехода («+» на p-области, «-» на n-области), то потенциальный барьер уменьшается, возрастает концентрация зарядов в p-n переходе, ширина и, следовательно, сопротивление перехода уменьшается. При изменении полярности источника внешнее электрическое поле совпадает с направлением поля p-n перехода, ширина и сопротивление перехода возрастает. Следовательно, p-n переход обладает вентильными свойствами.
Полупроводниковый диод
Диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения и явления используемого в p-n переходе различают несколько основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.
Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для каждого типа полупроводникового диода ВАХ имеет свой вид, но все они основываются на ВАХ плоскостного выпрямительного диода, которая имеет вид:
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода: 1 — прямая вольт-амперная характеристика; 2 — обратная вольт-амперная характеристика; 3 — область пробоя; 4 — прямолинейная аппроксимация прямой вольт-амперной характеристики; Uпор — пороговое напряжение; rдин — динамическое сопротивление; Uпроб — пробивное напряжение
Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов выбран во много раз более крупным, чем для положительных.
Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется лишь при пороговом напряжении (U пор), которое для германиевых диодов равно 0,1 - 0,2 В, а у кремниевых диодов равно 0,5 - 0,6 В. В области отрицательных значений напряжения на диоде, при уже сравнительно небольших напряжениях (U обр.) возникает обратный ток (І обр). Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. С ростом обратного напряжения увеличение тока не происходит, так как количество неосновных носителей, оказывающихся в единицу времени на границе перехода, не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Обратный ток для кремниевых диодов на несколько порядков меньше, чем для германиевых. Дальнейшее увеличение обратного напряжения до напряжения пробоя (U проб) приводит к тому что электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, возникает эффект Зенера . Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода и дальнейшее увеличение тока приводит к тепловому пробою и разрушению p-n-перехода.
Обозначение и определение основных электрических параметров диодов
Обозначение полупроводникового диода
Как указывалось ранее диод в одну сторону ток проводит (т. е. представляет собой в идеале просто проводник с малым сопротивлением), в другую – нет (т. е. превращается в проводник с очень большим сопротивлением), одним словом, обладает односторонней проводимостью . Соответственно выводов у него всего два. Они как повелось ещё со времён ламповой техники, называются анодом (положительным выводом) и катодом (отрицательным).
Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды , как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.
Выпрямительные диоды
Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используют для выпрямления больших токов . Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов . Для увеличения напряжения лавинного пробоя используют выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.
Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми . Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Кремниевые сплавные диоды используют для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.
Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:
- падение напряжения U пр на диоде при некотором значении прямого тока;
- обратный ток I обр при некотором значении обратного напряжения;
- среднее значение прямого тока I пр.ср. ;
- импульсное обратное напряжение U обр.и. ;
К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:
- время восстановления t вос обратного напряжения;
- время нарастания прямого тока I нар. ;
- предельная частота без снижения режимов диода f max .
Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.
Время обратного восстановления диода t вос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока I пр на заданное обратное напряжение U обр. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени t нар. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). Из этого следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямляемого напряжения.
При изменении температуры диода изменяются его параметры. Наиболее сильно от температуры зависят прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Приблизительно можно считать, что ТКН (температурный коэффициент напряжения) Uпр = -2 мВ/К, а обратный ток диодаимеет положительный коэффициент. Так при увеличении температуры на каждые 10 °С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раз.
Диоды с барьером Шотки
Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки . В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с . В месте контакта возникают обеднённые носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:
- более низкое прямое падение напряжения;
- имеют более низкое обратное напряжение;
- более высокий ток утечки;
- почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.
Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.
Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 1200 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шотки меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2…0,3 В.
Преимущества диода Шотки становятся особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4…0,6 В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5…1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15 В прямое напряжение уменьшается до 0,3…0,4 В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10…15 %. Максимальная рабочая частота диодов Шотки превышает 200 кГц.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.
*Физические основы микроэлектроники; Электроника; Флеров А.Н, 2015.
Лекция 6, тезисы
Полупроводниковые диоды
Типы диодов: диоды бывают:
- электровакуумные (кенотроны),
- газонаполненные (газотроны, игнитроны, стабилитроны),
- полупроводниковы е.
В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.
Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с двумя выводами, содержащий один p-n переход.
Рис. 6.1 Полупроводниковый диод (схема) и условное графическое обозначение (УГО) диода
Наибольшее применение получили кремниевые (Si -99% всего парка диодов) силовые, импульсные и пр., арсенид галлиевые (GaAs) - СВЧ диоды, перспективные - карбид кремниевые (SiC), нитрид галлиевые (GaN), InGaN, AlGaN - СВЧ диоды, светодиоды (InP, PbS), реже применяются германиевые (Ge) полупроводниковые диоды.
Односторонняя проводимость p-n перехода наглядно иллюстрируется его вольтамперной характеристикой (ВАХ), показывающей зависимость тока через p-n -переход от величины и полярности приложенного напряжения
Рис. 6.2 п/п диоды, конструкции (масштаб не выдержан)
Классификация диодов
По физике работы - туннельный, лавинно-пролетный, с барьером Шоттки, с накоплением заряда, светодиод и проч.
От способа получения p - n переходов полупроводниковые диоды делятся (по виду перехода) на два типа: точечные и плоскостные.
- от технологии изготовления p-n перехода диоды делятся на точечные, микросплавные, сплавные, диффузионные, эпитаксиальные.
Точечныйдиод э то диод с очень малой площадью электрического перехода.
В
точечном диоде с пластинкой кремния
или германия (например,n-типа)
соприкасается заостренная металлическая
проволочка, образующая выпрямляющий
переход в месте контакта (рис. 6.1).
Для создания стабильного выпрямляющего контакта при изготовлении точечного диода с пластинкой соприкасается заостренная металлическая игла имеющую на конце примесь индия или алюминия .
В результате термодиффузии (подача сильных импульсов тока) в кристалле п/п образуется слой р- типа.
Рис. 6.1 Вариант конструкции
точечного диода
Микросплавной диод занимают промежуточное положение между плоскостными и точечными. Микросплавные диоды, имеющие также малую площадь перехода.
При изготовлении микросплавного диода p-n переход формируется, например, путем микровплавления в кристалл (например Ge) тонкой золотой проволочки с присадкой
галлия на конце.
Диоды с микросплавными переходами выгодно отличаются от точечных лучшей стабильностью параметров, но емкость перехода у них больше и предельные частоты ниже, чем у точечных диодов.
Сплавной диод
При изготовлении сплавных диодов происходит вплавление примеси в кремний или в другой п/п.
Электронно-дырочные переходы сплавных диодов-резкие .
Рис. 6.2 Сплавной диод, строение и конструкция
Сплавной диод малой мощности - диод со средним значением выпрямленного тока не более 0,3 а. В середину пластинки кремния (Si) проводимостью n-типа (рис. 6.2.1) вплавлен цилиндрический столбик из алюминия (Аl). Атомы алюминия диффундирует (проникает) в пластинку, вследствие чего проводимость части объема пластинки вблизи столбика становится дырочной (р-типа). Между нею и остальным объемом пластинки образуется р-n переход с хорошей проводимостью от алюминия к кремнию.
Конструкции сплавного диода – на рис. 6.2.3.
Аналогичную конструкцию имеет германиевый выпрямительный сплавной диод малой мощности, только в германиевую пластинку вплавлен индий.
Сплавной диод средней мощности - диод со средним значением выпрямленного тока от 0,3 до 10 а. Между пластинками кремния n-типа и p-типа прокладывают алюминиевую фольгу и нагревают. Алюминий сплавляется с кремнием и внутри получившейся монолитной пластинки образуется р-n переход (рис. 6.2.2).
Такая конструкция показана на (рис.6.2.4)
Диффузионнй диод
Конструкции сплавных и диффузионных диодов аналогичны.
При изготовлении диффузионных диодов p-n переход создается при высокой температуре диффузией примеси в кремний или германий из среды, содержащей пары примесного материала .
Рис. 6.3 Диффузионный диод
Диффузионный плоскостной р-n переход изготавливается на основе кремния n -типа или германия р-типа .
Диффузантами в первом случае является бор (В), а во втором - сурьма (Sb). Диффузия осуществляется при нагреве в водородной печи.
Пластина Si нагревается до температуры, близкой к температуре плавления, а таблетка бора до испарения. В этих условиях атомы бора (B) напыляются на поверхность пластины и диффундируют вглубь ее. Вследствие этого на поверхности кристалла Si образуется слой Si p-типа. Последующим травлением этот слой удаляется со всех граней пластинки, кроме одной.
Между диффузионным слоем кремния p-типа и пластинкой Si n-типа образуется плавный р-n переход (рис.6.3), в котором эмиттером является высоколегированный диффузионный слой.
Метод диффузии позволяет достаточно точно контролировать процесс изготовления перехода, вследствие чего обеспечивается однородность параметров изготовляемых переходов.
Конструктивно плоскостные диффузионные диоды оформляются в металлические корпуса с выводами. Для улучшения теплоотвода кристалл припаивается непосредственно к корпусу, который служит одним из выводов.
Эпитаксиальные диоды
Эпитаксиальные (планарные, эпитаксиально - планарные диффузионные диоды) изготавливаются методом эпитаксии и локальной диффузии.
Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, выполняющую роль несущей конструкции структуры с сохранением ориентации кристаллов подложки.
Эпитаксия позволяет выращивать слои любого типа проводимости, требуемого удельного сопротивления и любой толщины (до нескольких микрометров).
Локальной диффузией называется создание p-n перехода путем диффузии примесных атомов в эпитаксиальный слой через окно в маске (например, из оксида кремния)
Рис. 6.4 Эпитаксиально -планарный диод, p-n переход -1
Последовательность изготовления : базу изготовляют путем наращивания на подложке (4) с повышенной проводимостью эпитаксиального n-слоя (3) с пониженной проводимостью, окисление (2) - создание оксидного слоя Si0 2 , формирование "окна" в оксидном слое двуокиси кремния Si0 2 путем травления пленки окисла, затем производят диффузию донорной примеси (бора или алюминия) в эпитаксиальный слой через окно, создается р-n переход (1).
Производится металлизация площадок на n+ и p+ для выводов.
Производится формирование выводов и монтаж в корпус.
Планарные диффузионные диоды характеризуются высокой надежностью, стабильностью параметров и большим сроком службы.
Плоскостные диоды имеют большие площади перехода, вследствие чего им присущи большие емкости и большие рабочие токи (до сотен и даже тысячи ампер). Используются в низкочастотных мощных электронных устройствах (силовых).
Выпрямительные диоды
Предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное напряжение (ток) в схемах электронных стабилизаторов.
Полупроводниковые выпрямительные диоды по эксплуатационной надежности и сроку службы значительно превосходят все остальные типы вентилей (ламповые). Поэтому они наиболее широко используются в источниках питания.
ВАХ диодов - основная характеристика полупроводниковых диодов.
Пример
Эквивалентная схема выпрямительного диода
Рис. 6.5 Эквивалентная электрическая схема диода
r pn = T /I (6.1)
T температурный потенциал;
r б – единицы- десятки [Ом];
С д – единицы- десятки [пФ]
Прямое падение напряжения выпрямительных кремниевых диодов не превышает
(1-2)В и больше, чем у германиевых.
Т.о., в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.
Но кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые поэтому они получили преимущественное распространение.
Допустимое обратное напряжение германиевых диодов лежит в пределах:
U o 6 pGe = 100- 400В, кремниевых диодов: U o 6 psi = 1 000 - 1500B.
Пример : выпрямитель на диоде
Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойстве
p-n перехода пропускать ток только в одном направлении. Простейшая (однополупериодная) схема выпрямителя на полупроводниковом диоде рис.6.6:
Рис. 6.6 Схема однополупериодного выпрямителя
Трансформатор служит для преобразования величины напряжения, т.е. для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя.
В этой схеме ток через диод и нагрузку R H протекает только в положительные полупериоды входного напряжения U ex , и кривая напряжения на нагрузке будет состоять из положительных полуволн синусоиды (если емкость С отключена)
Емкость С сглаживает однополярные пульсации напряжения на нагрузке Rн.
Для того, чтобы избежать потери полупериода напряжения используется двухполупериодная схема выпрямителей - схемы со средней точкой и мостовая .
Рис.6.8 Включение диодов в мостовой схеме (а) и эпюры входного выходного напряжения однополупериодной и двухполупериодной схем (б).
Параметры выпрямительного диода (основные)
1. Максимально допустимый прямой ток диода In р. max
2. Прямое падение напряжения Unp - значение прямого напряжения на диоде при заданном
значении прямого тока;
3. Максимально допустимое обратное напряжение U обр. max
4. Максимальная рабочая частота, fmax
5. Максимальная допустимая рассеиваемая мощность Рдоп. max
Стабилитрон
Стабилитрон - полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.
Рис. 6.8 Условное графическое обозначение
В качестве материала для полупроводниковых стабилитронов используется, как правило, кремний, обладающий высокой температурной стабильностью.
Рис. 6.9 ВАХ стабилитрона
В прямом включении ВАХ стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода.
Обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов.
Нормальным режимом работы стабилитрона является работа при обратном напряжении на участке электрического пробоя р- n перехода.
По сравнению с обычными диодами стабилитрон имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.
Полупроводниковый материал стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих примесей (узкий переход) . Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие нарушения теплового баланса).
В основе работы стабилитрона лежат два механизма:
- лавинный пробой (пробой Аваланчи, avalanche breakdown) обычно развивается в достаточно широких p - n -переходах. Напряжение стабилизации > 5-6В.
- туннельный пробой (пробой Зенера, Zener, в англоязычной литературе, диод Зенера),
развивается в тонких р- n переходах при большой напряженности электрического поля. Напряжение стабилизации < 5В.
Они присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них.
При изменении в широких пределах тока через прибор падение напряжения на нем практически не изменяется. Это свойство кремниевых стабилитронов и позволяет использовать их в качестве стабилизатора напряжения.
Для того, чтобы предотвратить тепловой пробой в конструкции стабилитрона предусмотрен отвод тепла от р-n перехода.
Пример: Схема включения стабилитрона (параметрический стабилизатор)
Простейшая схема стабилизации постоянного напряжения – рис. 6.10
Выходное напряжение стабилизатора должно оставаться постоянным при изменении выходного напряжения или изменения сопротивления нагрузки.
Рис. 6.10Параметрический стабилизатор
Выходное напряжение стабилизатора не может быть абсолютно стабильным. Приращения U cm малы, и зависят от приращений входного напряжения U вх .
U вх = U cm + I R 0 R 0 , (6.2)
где r q - токоограничивающий резистор.
I R 0 = (U вх - U cm)/ R 0 , (6.3)
При увеличении входного напряжения U вх + U вх
I’ R 0 = (U вх + U вх - U cm)/ R 0 (6.4)
При этом I’ R 0 > I R 0 и I’ cm > I cm ток через стабилитрон увеличивается.
Параметром, определяющим качество стабилизатора является коэффициент стабилизации .
Коэффициент стабилизации определяется следующим образом:
(при этом 1 Н считается постоянным)
(6.5)
Основные параметры стабилитронов
2. Минимальный ток стабилизации 1 ст (~3 мА) - значение тока протекающего через
стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.
3. Максимальный ток стабилизации 1 ст MAX (~20 мА – 1А) - значение тока
протекающего через стабилитрон, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не
превышает допустимого значения.
4. Максимальная мощность рассеяния P pa с c = U cm I cm - наибольшая мощность, выделяемая
на p-n переходе, при которой не возникает теплового пробоя перехода.
5. Дифференциальное сопротивление r cm = U cm / I cm отношение приращения напряжения
на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации. Характеризует степень
стабильности напряжения стабилизации при изменении тока пробоя.
На участке стабилизации r cm ~ const; r cm = 0,5 - 200 Ом.
6. Температурный коэффициент напряжения (TKU) стабилизации
(6.6)
где t 1 °C - исходная температура.
TKU = 0,1 ...0,01%/°С
Для самостоятельного изучения
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Обозначение диодов
X X X X X X (например, КД243А)
1-ый элемент (буква или цифра) обозначает исходный материал:
Г (1) - германий;
К (2) - кремний;
А (3) - соединения галлия;
И (4) – соединения индия.
Если стоит не буква, а цифра, то это означает, что прибор может работать при повышенных температурах (германиевый прибор при 70 С; кремниевый при 120°С).
2-ой элемент (буква) указывает на тип полупроводникового диода:
Д - выпрямительные, универсальные, импульсные;
А - сверхвысокочастотные;
С - стабилитроны и стабисторы;
И - туннельные и обращенные;
В – варикапы;
Ц - выпрямительные столбы;
Л – излучательные;
Ф – фотоприемники.
3-ий элемент (цифра) - число, определяющее назначение и качественные свойства диодов.
1 - Выпрямительные диоды малой мощности (1пр ср < 0,ЗА);
2 - Выпрямительные диоды средней мощности (0,3А< 1пр ср < 10А);
4. Импульсные диоды с временем восстановления меньше 500нс.
У стабилитронов 3 -ий элемент обозначения определяет индекс мощности.
Пример:
Р тах < 0,3Вт: 1 U cma б < 10в
2 10B < U cma 6 < 99B;
3 100В < U стаб < 199В.
0.3 B т < P max < 5Вт: 4 U cma б <10В;
4-ый и 5-ый элементы (цифры) - порядковый номер разработки (от 0 до 99).
У стабилитронов - это обозначение напряжения стабилизации.
Пример : КС1 56 А -5,6В
6-ой элемент (буквенный) определяет разновидность прибора по технологическим признакам, а у стабилитронов и стабисторов - указывает на последовательность разработки.
Пример : ГД412А - диод полупроводниковый, германиевый, универсальный, германиевый, номер разработки 12, группа А.
**************************************************************
Д9, Д102 – “старинные” названия
Если на поверхность полупроводника нанести защитный слой с отверстиями и через эти отверстия проводить диффузию примеси, то получают планарный р-n-переход.
Собственная емкость диффузионных диодов меньше, чем сплавленных, и составляет С д 1…2 пф.
Маркировка ППД предусматривает шесть символов. Первый символ – буква (для диодов общего назначения) или цифра (для специальных диодов – работающих при повышенных температурах) - указывает материал полупроводника: Г (1) – германий, К (2) – кремний, А (3) – GaAs. Второй символ – буква, означающая подкласс диода: Д – выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсивные диоды; В – варикапы; С – стабилитроны и стабисторы; Л – светодиоды. Третий символ – цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов – мощность рассеяния): три – переключательный, четыре – универсальный. Четвертый и пятый символы – двузначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов – номинальное напряжение стабилизации). Шестой символ – буква, обозначающая параметрическую группу прибора (у стабилитронов – последовательность разработки).
Примеры маркировки диодов:
ГД 412А – (Г) – германиевый, (Д) – диод, (4) – универсальный, (12) – номер разработки, (А) – группа;
КС 196 В - (К) – кремниевый, (С) – стабилитрон, (1) – мощность расстояния не более 0,3 Вт, (96) – номинальное напряжение стабилизации 9,6 В, (В) – третья разработка. Обозначения диодов на электрических схемах показаны на рис. 1.6
.
1. 6. Выпрямительные диоды
Работа выпрямительного диода основана на свойстве p-n–перехода пропускать ток в одном направлении – прямом.
Прямая ветвь вольт–амперной характеристики выпрямительного диода, изображенной на рис.1.7, уже при небольшом прямом токе является линейной. Это – основная рабочая область характеристики диода.
К основным параметрам выпрямительных диодов, характеризующим их работу в выпрямительных схемах, относятся:
U пр.ср – среднее значение прямого падения напряжения, определяемое по вольт–амперной характеристике при заданном значении I пр.ср;
I обр – среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения U обр;
ƒ – диапазон рабочих частот, в пределах которого ток диода не уменьшается ниже заданной величины. В справочниках часто приводят предельную частоту диапазона ƒ max .
Кроме того, параметрами предельного электрического режима диода являются:
U обр.max – предельно допустимая амплитуда обратного напряжения;
I пр.max – максимальное значение прямого тока.
Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (I пр.ср < 0,3 А), средней (0,3 < I пр.ср < 10 А) и большой (I пр.ср > 10 А) мощности.
Для повышения допустимого обратного напряжения изготовляются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно, а также выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.
Область применения выпрямительных диодов – преобразователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (выпрямители – АС-DC преобразователи.
1.7. Диоды Шоттки
В 1939 немецким физиком Вольтером Шоттки было экспериментально обнаружено явление выпрямления слабых сигналов в области соприкосновения металлической иглы с полупроводниковым кристаллом. По имени ученого диоды на основе контакта «металл-полупроводник» назвали диодами Шоттки.
Для возникновения потенциального барьера необходимо, чтобы работы выхода металла и полупроводника были различными. В полупроводнике n-типа работа выхода из него в металл должна быть меньше, чем из металла в полупроводник (Ф ВЫХ n < Ф ВЫХ м) . В этом случае, при сближении полупроводника n-типа с металлом, поток электронов из полупроводника n-типа в металл будет больше, чем в обратном направлении и металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. При сближении полупроводника р-типа с металлом, обладающим меньшей Ф ВЫХ. М, металл заряжается положительно, а полупроводник - отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов: U k = (Ф ВЫХ м – Ф ВЫХ n) /е, где е - заряд электрона. Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов Uk создаётся в приповерхностном слое полупроводника. При изготовлении диода Шоттки (рис. 1.8) на очищенную поверхность слаболегированного полупроводникового кристалла (Si, GaAs) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения. При этом в приконтактной области полупроводника как и в диодах с электронно-дырочным переходом возникает потенциальный барьер, изменение высоты которого под действием внешнего напряжения приводит к изменению тока через прибор.
Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки (рис.1.9) имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых смещений ток экспоненциально растёт с увеличением приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения не зависит. В обоих случаях, при прямом и обратном смещении, ток в барьере Шоттки обусловлен основными носителями заряда - электронами. По этой причине диоды на основе барьера Шоттки являются быстродействующими приборами, поскольку в них отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы. Прямое падение напряжения у кремниевого диода Шотки очень мало, обычно порядка 0.2...0.45 В. Падение напряжения пропорционально максимальному обратному напряжению. Например, падение напряжения на диоде с обратным напряжением 10 В может составлять всего лишь 0.3 В. Чем выше максимальное обратное напряжение и номинальный ток, тем больше прямое падение напряжения вследствие увеличения толщины n-слоя.
Недостатки диодов Шоттки:
во-первых, при кратковременном превышении максимального обратного напряжения, диод Шоттки необратимо выходит из строя, в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и при условии не превышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности, после снятия напряжения диод полностью восстанавливает свои свойства;
во-вторых, диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла.
В настоящее время для нужд преобразовательной и силовой электроники освоен выпуск диодов Шоттки на основе карбида кремния. В частности, компанией CREE выпускаются диоды Шоттки на основе карбида кремния с напряжением до 1200В и током до 20А.
Главное преимущество высоковольтных SiC-диодов Шоттки (ДШ) состоит в их исключительных динамических характеристиках. Заряд обратного восстановления (Qrr) этих диодов чрезвычайно низок (менее 20 нКл) и, как результат, - минимальны потери на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники. Кроме того, в отличие от кремниевых PiN диодов, скорость нарастания тока (di/dt) не зависит от величины прямого тока и температуры. Диоды нормально работают при максимальной температуре перехода 175°С.
Компанией CREE выпускается небольшой спектр SiC-диодов Шоттки, который состоит из трех групп: ДШ на напряжение 300, 600 В и 1200В.
Диоды Шоттки выпускаются компанией CREE в стандартных пластмассовых корпусах TO-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3, TO-263.
Преимущества применения SiC-диодов
Диоды Шоттки компании CREE находят применения в импульсной силовой электронике: в схемах корректоров коэффициента мощности, в приводах электродвигателей и др. Применение этих диодов оправдывает себя при работе на повышенных частотах и напряжениях и делает экономически выгодными их использование.
Благодаря уникальным свойствам SiC-диодов, они могут работать на частотах вплоть до 500 кГц, обеспечивая высокую эффективность устройств порядка 92%.
При работе на высоких частотах уменьшаются габариты индуктивностей примерно на 30%. Благодаря отсутствию тока обратного восстановления снижаются электромагнитные помехи, что может позволить сэкономить на сетевом фильтре.
Уменьшение размера и веса электронных систем первоначально обусловлено требованием рынка на возрастающую плотность мощности. Для того, чтобы достигнуть этой цели без ущерба для функциональности системы, необходимо уменьшить размер и вес импульсного источника питания этой системы. В этом смысле SiC-диоды обладают рядом замечательных свойств:
Очень малым (практически нулевым!) временем восстановления основных носителей заряда при переключениях;
Более высокое напряжение пробоя, чем у кремниевых приборов;
Высокая температура функционирования до +175°С;
Высокая частота переключения, до 500кГц, что уменьшает размер фильтра электромагнитных помех и размеры других пассивных компонентов.
Уменьшение, либо исключение активных или пассивных демпферных цепей.
Положительный температурный коэффициент прямого падения напряжения позволяет осуществлять параллельное включение диодов без дополнительных компенсирующих цепей.
