Le contact de deux semi-conducteurs de type n et p est appelé jonction p-n ou jonction n-p. Suite au contact entre les semi-conducteurs, la diffusion commence. Certains électrons vont vers les trous, et certains trous vont du côté des électrons.
En conséquence, les semi-conducteurs sont chargés : n-positivement et p-négativement. Une fois que le champ électrique qui apparaît dans la zone de transition commence à interférer avec le mouvement des électrons et des trous, la diffusion s'arrête.
Lors de la connexion d'une jonction pn à direction vers l'avant il fera passer le courant à travers lui-même. Si vous connectez la jonction pn dans la direction opposée, elle ne laissera pratiquement pas passer le courant.
Sur prochain horaire Les caractéristiques courant-tension des connexions directes et inverses de la jonction pn sont présentées.
Fabriquer une diode semi-conductrice
La ligne continue montre la caractéristique courant-tension de la connexion directe de la jonction pn, et la ligne pointillée montre la connexion inverse.
Le graphique montre que la jonction pn est asymétrique par rapport au courant, car dans le sens direct, la résistance de jonction est bien inférieure à celle dans le sens inverse.
Les propriétés d'une jonction pn sont largement utilisées pour redresser le courant électrique. Pour ce faire, une diode semi-conductrice est réalisée à partir d'une jonction pn.
Généralement, le germanium, le silicium, le sélénium et un certain nombre d'autres substances sont utilisés pour fabriquer des diodes semi-conductrices. Examinons de plus près le processus de création d'une jonction pn à l'aide de germanium avec une semiconductivité de type n.
Une telle transition ne peut pas être réalisée en connectant mécaniquement deux semi-conducteurs avec différents types conductivité. Ceci est impossible car cela crée un écart trop important entre les semi-conducteurs.
Et nous avons besoin que l’épaisseur de la jonction pn ne soit pas supérieure aux distances interatomiques. Pour éviter cela, l'indium est fondu sur l'une des surfaces de l'échantillon.
Pour créer une diode semi-conductrice, un semi-conducteur dopé p contenant des atomes d'indium est chauffé à haute température. Des paires d'impuretés de type n se déposent à la surface du cristal. De plus, par diffusion, ils sont introduits dans le cristal lui-même.
À la surface d’un cristal de conductivité de type p, une région de conductivité de type n se forme. La figure suivante montre schématiquement à quoi cela ressemble.
Afin d'éviter que le cristal ne soit exposé à l'air et à la lumière, il est placé dans un boîtier métallique scellé. Sur les fondamentaux schémas électriques, la diode est indiquée par l'icône spéciale suivante.
Les redresseurs à semi-conducteurs ont une très grande fiabilité et une longue durée de vie. Leur principal inconvénient est qu’ils ne peuvent fonctionner que dans une petite plage de températures : de -70 à 125 degrés.
Actuellement, trois groupes principaux de méthodes sont utilisés pour fabriquer des jonctions en arséniure de gallium : la diffusion, l'épitaxie en phase gazeuse et l'épitaxie en phase gazeuse. phase liquide. La méthode de fusion, utilisée auparavant dans la technologie des semi-conducteurs, n'est plus utilisée dans la technologie des PCB, car elle ne produit pas de jonction électron-trou sculptée et plate et est donc inadaptée à la fabrication de diodes laser. Par conséquent, les principales méthodes de fabrication des diodes PCG sont désormais les méthodes de diffusion et d'épitaxie.
8.3.1. Méthode de diffusion
La théorie de la diffusion repose sur l'hypothèse que les atomes d'impuretés n'interagissent pas les uns avec les autres pendant le processus de diffusion et que le taux de diffusion ne dépend pas de leur concentration. Sur la base de cette hypothèse, nous avons dérivé équations fondamentales diffusion - Lois de Fick. La première loi de Fick définit le flux de diffusion comme une quantité proportionnelle au gradient de concentration (dans des conditions isothermes avec diffusion unidimensionnelle)
où est la concentration des atomes diffusants ; x - coordonnée de distance ; coefficient de diffusion.
La deuxième loi de Fick détermine le taux de diffusion
Sur la base de ces lois, il est possible de trouver la distribution de la concentration d'impuretés dans un échantillon semi-limité. Pour le cas où concentration initiale dans la masse du cristal est proche de zéro, et la concentration en surface est et reste constante, la concentration d'impuretés après le temps x à la profondeur x est égale à
Si la diffusion se produit à partir d'une couche mince avec une épaisseur de concentration d'impuretés par unité
surface, alors la distribution des impuretés est exprimée par l'équation
La détermination des profils de concentration de la répartition des impuretés dans un échantillon est réalisée soit par la méthode des traceurs radioactifs, soit par la méthode des sondes de mesure de la « propagation de la résistance » le long d'une section oblique de l'échantillon.
La dépendance du coefficient de diffusion sur la température a la forme
Cependant, cette dépendance n'est pas toujours maintenue dans les semi-conducteurs binaires en raison d'écarts par rapport à la loi de Fick, puisque l'impureté interagit avec l'un des composants du composé ou avec des lacunes formées en raison de l'évaporation du composant volatil lors de la dissociation du composé. Parfois, à la suite de l'interaction d'une impureté avec les composants d'un composé, de nouveaux composés se forment, plus stables que le semi-conducteur binaire d'origine. Dans les composés de ce type, la diffusion se produit par le mouvement des atomes le long des sites de sous-réseau des éléments des groupes III et V. L'énergie d'activation de la diffusion dépend du type de sous-réseau le long duquel la diffusion se produit. Cependant, ce mécanisme n’est pas le seul ; Par exemple, une diffusion d'impuretés le long des interstices est possible. La diffusion de diverses impuretés dans les semi-conducteurs binaires est discutée dans des revues. Les données sur la diffusion des impuretés dans l'arséniure de gallium sont présentées dans le tableau. 8.3.
La fabrication de jonctions par diffusion peut se faire par diffusion à la fois de donneurs dans un arséniure de gallium de type et d'accepteurs dans un matériau de type . La diffusion des donneurs étant très lente, la diffusion des accepteurs est généralement réalisée. Les impuretés d'alliage les plus couramment utilisées pour la fabrication des injections sont l'accepteur - le zinc et le donneur - le tellure. L'industrie produit des monocristaux d'arséniure de gallium destinés à la production de PKG, dopés au tellure à des concentrations de ceux-ci.
(cliquez pour voir l'analyse)
les concentrations, comme indiqué ci-dessus, sont optimales. La jonction électron-trou dans les plaques taillées dans ces monocristaux est réalisée par diffusion de zinc, ce qui permet, à des températures pas trop élevées, de réaliser rapidement une jonction à n'importe quelle profondeur souhaitée.
Les plaques d'arséniure de gallium arrivant pour diffusion doivent être spécialement préparées. Tout d'abord, un plan d'indice (100) est détecté dans le cristal à l'aide de rayons X. Le cristal est ensuite découpé en tranches parallèles à ce plan cristallographique. Le choix du plan est déterminé par les considérations suivantes. Les cristaux des composés se brisent facilement le long du plan (110). Dans la structure cubique de la sphalérite, caractéristique de ces composés, on distingue trois plans (110), plans perpendiculaires(111), et deux perpendiculaires (100). Si le plan (111) est sélectionné, des diodes PKG triangulaires peuvent alors être fabriquées.
Les diodes à résonateurs Fabry-Pérot typiques sont facilement réalisées à partir de plaques découpées parallèlement au plan (100) par un simple double clivage le long de (110). Ces plans du résonateur doivent être strictement perpendiculaires à la future jonction, puisque l'épaisseur de la couche active de la diode n'est que de 1 à 2 microns. Par conséquent, des écarts insignifiants du plan du résonateur peuvent conduire à une fuite du rayonnement de la région active. Afin de répondre à cette exigence, une face de la plaque est broyée avec une poudre de granulométrie de 5 µm perpendiculairement aux plans de clivage avant diffusion. La surface meulée de la plaque est polie manuellement sur verre avec de la poudre à polir (avec une granulométrie d'abord de 1 μm puis de 0,3 μm). Parfois, un polissage chimique est également utilisé.
Le processus de diffusion du zinc dans une plaque d'arséniure de gallium poli s'effectue soit dans un volume fermé (dans une ampoule scellée), soit dans un système à flux. Le plus souvent, cependant, un système fermé est utilisé. Pour ce faire, l'ampoule est d'abord pompée jusqu'à une pression résiduelle d'environ mm Hg. Art. Le zinc élémentaire ou ses composés sont pris comme source de zinc. Ce dernier composé est un mélange de phases solides.
qui sont choisis en fonction des conditions de température de diffusion. Si le zinc élémentaire est utilisé comme source d'impureté, alors l'arsenic élémentaire est également placé dans l'ampoule dans le rapport ou Comme cela sera montré ci-dessous, la pression de l'arsenic dans l'ampoule a grande valeur dans ce processus.
Il existe trois variantes de processus de diffusion utilisés en technologie pour former des transitions.
1. Diffusion du zinc en une étape l'introduction d'arsenic dans la plaque (100) ou (111) est réalisée à une température de zinc et l'arsenic est chargé dans l'ampoule dans le rapport que devrait être leur concentration totale dans la phase gazeuse à la fin du procédé, l'ampoule est fortement refroidie avec de l'eau. La durée du processus est choisie en fonction de la profondeur souhaitée de la transition.
Suite à une diffusion de trois heures dans ces conditions, une transition se forme à une profondeur d'environ 20 µm.
2. Diffusion de zinc suivie d'un recuit sous atmosphère d'arsenic. Le processus de diffusion est similaire à celui décrit ci-dessus, mais à la fin du processus de diffusion, la plaque est placée dans une autre ampoule, où l'arsenic est également placé en quantité. L'ampoule avec la charge est pompée jusqu'à mmHg. Art. et conservé dans un four à une température de 900 °C pendant un certain temps. Le recuit aide à élargir la zone compensée, à niveler la couche de transition active et à créer une transition douce et floue. Conditions optimales sont les suivantes : Stade I (diffusion) - température rapport de concentration en zinc durée de l'étape I Stade II (recuit) - température 900 ou - concentration en arsenic durée de l'étape II La profondeur de diffusion dans ces conditions est d'environ 8 microns.
3. Diffusion en trois étapes. Au processus de diffusion en deux étapes décrit ci-dessus, une troisième étape est ajoutée : une diffusion superficielle du zinc pour former une couche.
A la fin du processus de diffusion et de refroidissement de l'ampoule, la plaque d'arséniure de gallium est retirée et son bord est clivé pour identifier la transition, déterminer la profondeur de son apparition et observer visuellement ses caractéristiques : planéité, largeur, etc. à
pour rendre la transition clairement visible, la puce est gravée dans une solution ou une goutte de solution est appliquée sur la surface ébréchée et laissée pendant 15 à 30 s, après quoi la plaque est rincée à l'eau distillée. Deux lignes peuvent être vues sur la surface gravée : la ligne du bas définit la limite de transition et la ligne du haut est l'endroit où commence la dégénérescence du matériau de type .
Mécanisme de diffusion du zinc dans l'arséniure de gallium. La distribution de la concentration de zinc dans l'arséniure de gallium suite à la diffusion est anormale. Pour la diffusion du zinc à des températures inférieures, elle peut être décrite par une fonction d'erreur gaussienne, c'est-à-dire les équations (8.4) et (8.5) ; dans ce cas, les valeurs des coefficients de diffusion peuvent être calculées en tenant compte des paramètres donnés dans le tableau. 8.3. Pour des températures de diffusion supérieures à 800 °C, la répartition du zinc dans l'arséniure de gallium n'obéit pas à ce schéma classique. Exemples typiques La distribution anormale du zinc est représentée sur la Fig.
8.13 pour diffusion à température de
Les phénomènes anormaux lors de la diffusion du zinc dans l'arséniure de gallium font l'objet de nombreuses études. Les faits suivants ont été remarqués.
Riz. 8.13. Profils de distribution de la concentration de zinc dans une plaque d'arseide de gallium pour diverses concentrations de surface à une température de diffusion et une durée d'environ
À des températures de diffusion plus élevées, le coefficient de diffusion du zinc dépend fortement de la concentration en arsenic et la solubilité du zinc dans l'arséniure de gallium augmente même de trois ordres de grandeur (de 1017 à 1017). La présence de défauts, d'imperfections structurelles et de dislocations s'accélère. diffusion et aggrave la planéité de la transition. Attention particulière méritent d’étudier la diffusion dans des conditions d’isoconcentration, c’est-à-dire en l’absence de gradient de concentration en zinc sur l’échantillon.
Les atomes de zinc peuvent être localisés dans l'arséniure de gallium soit sur des sites de gallium, soit dans des interstices. Par conséquent, la diffusion du zinc peut se produire le long des lacunes et des interstices du gallium. La loi de Fick pour un tel mécanisme de double diffusion peut être exprimée par l'équation
où et sont les coefficients de diffusion du zinc le long des interstices et selon le mécanisme de substitution du gallium.
Cette équation peut être simplifiée en introduisant le coefficient de diffusion effectif :
Les résultats de diffusion par isoconcentration montrent qu'à des concentrations élevées de zinc, la diffusion le long des interstices prédomine, c'est-à-dire
Par conséquent, la diffusion par isoconcentration peut être décrite par l’équation (8.4). Le coefficient de diffusion d'isoconcentration peut être calculé sur la base d'une analyse de la concentration d'atomes de zinc interstitiels et de lacunes en gallium. Sa forte dépendance à la concentration en zinc est illustrée sur la figure. 8.14.
Riz. 8.14, Dépendance du coefficient de diffusion du zinc dans l'arséniure de gallium sur la concentration en zinc.
Cependant, dans des conditions technologiques réelles à haute température, la concentration superficielle de zinc sur l'arséniure de gallium atteignait légèrement la densité de la vapeur de zinc dans l'ampoule. En l'absence de pression d'arsenic dans l'ampoule, la répartition du zinc dans l'échantillon était faussée de manière irréproductible, et
La transition était inégale, en particulier aux faibles concentrations de zinc. L'introduction d'arsenic dans l'ampoule a considérablement corrigé la situation. La dépendance du coefficient de diffusion sur la concentration en zinc a diminué de manière significative, la diffusion s'est déroulée plus régulièrement et la transition s'est déroulée en douceur.
Il convient de prêter attention au fait que des phénomènes anormaux dans la diffusion du zinc se produisent à des températures supérieures à la température à laquelle l'arséniure de gallium commence à se décomposer. Par conséquent, une pression d'arsenic doit être créée dans l'ampoule au moins égale à la pression de dissociation de l'arséniure de gallium. à une température donnée. De plus, étant donné que le zinc forme deux composés à fusion congruente avec l'arsenic, on peut s'attendre à leur formation à la fois sur la source de zinc et à la surface de l'arséniure de gallium. Ces processus, ainsi que la dissociation de l'arséniure de gallium, peuvent conduire à la libération de gallium liquide et à la formation de solutions de gallium de zinc et d'arséniure de gallium, entraînant des perturbations locales de surface qui faussent davantage le profil de diffusion et la transition. Pour éliminer ces perturbations de surface et rapprocher la diffusion du régime d'isoconcentration, le zinc est parfois diffusé à travers un film déposé sur arséniure de gallium, ou à partir d'un film dopé au zinc.
Les conditions permettant d'obtenir une diffusion reproductible du zinc dans l'arséniure de gallium peuvent être déterminées par base de considération diagrammes de phaseséquilibre gallium-arsenic-zinc (Fig. 8.15).
Si seul le zinc élémentaire est utilisé comme diffusant, l'arsenic sera transféré de l'arséniure de gallium à la source de zinc jusqu'à ce que des phases d'équilibre des arséniures de zinc se forment sur les deux surfaces. Naturellement, cela entraînera la libération de gallium liquide, des dommages à la surface de la plaque et une distorsion du front de diffusion.
Si la source est du zinc et de l'arsenic ou des arséniures de zinc, alors tout dépend de la quantité de diffusant, de sa composition et de sa température. Avec de petites quantités de diffuseur (plusieurs ampoules), aucune phase condensée ne se forme - tout le zinc et l'arsenic sont en phase vapeur. Les perturbations de transition de surface dues à la durée de diffusion et à la température sont exprimées
Cela dépend fortement de la concentration des impuretés. Semi-conducteurs dont les propriétés électriques dépendent d'impuretés d'autres éléments chimiques, sont appelés semi-conducteurs d'impuretés. Il existe deux types d'impuretés : donneuse et accepteuse.
Donneur est une impureté dont les atomes donnent au semi-conducteur des électrons libres, et la conductivité électrique qui en résulte associée au mouvement électrons libres, - électronique. Un semi-conducteur à conductivité électronique est appelé semi-conducteur électronique et est classiquement noté Lettre latine n est la première lettre du mot « négatif ».
Considérons le processus de formation de conductivité électronique dans un semi-conducteur. Prenons le silicium comme matériau semi-conducteur principal (les semi-conducteurs en silicium sont les plus courants). Le silicium (Si) possède quatre électrons sur l'orbite externe de l'atome, qui déterminent ses propriétés électriques (c'est-à-dire qu'en se déplaçant sous l'influence d'une tension, ils créent courant électrique). Lorsque des atomes d'impuretés d'arsenic (As) sont introduits dans le silicium, qui possède cinq électrons sur son orbite externe, quatre électrons interagissent avec quatre électrons du silicium, formant liaison covalente, et le cinquième électron de l'arsenic reste libre. Dans ces conditions, il se sépare facilement de l’atome et est capable de se déplacer dans la substance.
Accepteur est une impureté dont les atomes acceptent les électrons des atomes du semi-conducteur hôte. La conductivité électrique résultante, associée au mouvement des charges positives - les trous, est appelée conductivité des trous. Un semi-conducteur avec une conductivité électrique à trous est appelé semi-conducteur à trous et est classiquement désigné par la lettre latine p - la première lettre du mot « positif ».
Considérons le processus de formation de la conductivité des trous. Lorsque des atomes d'impureté d'indium (In) sont introduits dans le silicium, qui a trois électrons sur son orbite externe, ils entrent en communication avec trois électrons du silicium, mais cette connexion s'avère incomplète : il manque un électron supplémentaire pour se connecter avec le quatrième. électron de silicium. L’atome d’impureté acquiert l’électron manquant auprès de l’un des atomes proches du semi-conducteur hôte, après quoi il s’associe aux quatre atomes voisins. En raison de l'ajout d'un électron, il acquiert un excès charge négative, c'est-à-dire se transforme en ion négatif. Dans le même temps, l'atome semi-conducteur, à partir duquel le quatrième électron est passé à l'atome d'impureté, s'avère connecté aux atomes voisins par seulement trois électrons. il y a donc un excès charge positive et une connexion vide apparaît, c'est-à-dire trou.
L'un des propriétés importantes Un semi-conducteur, c'est que s'il y a des trous, le courant peut le traverser même s'il ne contient pas d'électrons libres. Cela s'explique par la capacité des trous à se déplacer d'un atome semi-conducteur à un autre.
Mouvement des "trous" dans un semi-conducteur
En introduisant une impureté donneuse dans une partie d'un semi-conducteur et une impureté acceptrice dans une autre partie, il est possible d'obtenir des régions contenant une conductivité électronique et de trou. À la limite des régions de conductivité électronique et de conductivité des trous, se forme ce qu'on appelle une transition électron-trou.
Jonction P-N
Considérons les processus qui se produisent lorsque le courant traverse transition électron-trou. Le calque de gauche, étiqueté n, a conductivité électronique. Le courant qu'il contient est associé au mouvement des électrons libres, qui sont classiquement indiqués par des cercles avec un signe moins. La couche de droite, désignée p, a une conductivité de trou. Le courant dans cette couche est associé au mouvement des trous, qui sont indiqués sur la figure par des cercles avec un « plus ».
Mouvement des électrons et des trous en mode conduction directe
Mouvement des électrons et des trous en mode de conduction inverse.
Lorsque les semi-conducteurs entrent en contact avec différents typesélectrons de conduction dus à diffusion commencera à se déplacer vers la région p et les trous - vers la région n, ce qui entraînera couche limite La région n est chargée positivement et la couche limite de la région p est chargée négativement. Un champ électrique apparaît entre les régions, qui agit comme une barrière pour les principaux porteurs de courant, grâce à quoi jonction p-n une zone avec une concentration de charge réduite est formée. Le champ électrique dans une jonction pn est appelé barrière de potentiel et la jonction pn est appelée couche de blocage. Si la direction de l'extérieur champ électrique direction opposée champs p-n transition ("+" sur la région p, "-" sur la région n), puis la barrière de potentiel diminue, la concentration de charges dans la jonction p-n augmente, la largeur et, par conséquent, la résistance de la jonction diminue. Lorsque la polarité de la source change, le champ électrique externe coïncide avec la direction du champ de la jonction pn, la largeur et la résistance de la jonction augmentent. Par conséquent, la jonction pn a des propriétés de grille.
Diode semi-conductrice
Diode appelé dispositif semi-conducteur de conversion électrique avec une ou plusieurs jonctions p-n et deux bornes. Selon l'objectif principal et le phénomène utilisé dans la jonction p-n, il existe plusieurs principaux types fonctionnels diodes semi-conductrices : redresseurs, haute fréquence, impulsions, tunnel, diodes Zener, varicaps.
Basique caractéristiques des diodes semi-conductrices est la caractéristique courant-tension (VAC). Pour chaque type de diode semi-conductrice, la caractéristique courant-tension a sa propre forme, mais elles sont toutes basées sur la caractéristique courant-tension d'une diode de redressement plan, qui a la forme :
Caractéristique courant-tension (CVC) de la diode : 1 - caractéristique courant-tension continue ; 2 - caractéristique courant-tension inverse ; 3 — zone de panne ; 4 - approximation rectiligne de la caractéristique courant-tension continue ; Upor : tension de seuil ; rdin : résistance dynamique ; Uprob - tension de claquage
Échelle de l'axe Y pour valeurs négatives les courants choisis sont plusieurs fois plus importants que pour les courants positifs.
Les caractéristiques courant-tension des diodes passent par zéro, mais un courant suffisamment perceptible n'apparaît que lorsque tension de seuil(pore U), qui pour les diodes au germanium est égal à 0,1 - 0,2 V et pour les diodes au silicium est égal à 0,5 - 0,6 V. Dans la région des valeurs de tension négatives sur la diode, à des tensions déjà relativement basses ( U arr.) surgit courant inverse(J'arrête). Ce courant est créé par des porteurs minoritaires : des électrons de la région p et des trous de la région n, dont la transition d'une région à l'autre est facilitée par une barrière de potentiel proche de l'interface. À mesure que la tension inverse augmente, le courant n'augmente pas, puisque le nombre de porteurs minoritaires apparaissant à la limite de transition par unité de temps ne dépend pas de la tension appliquée extérieurement, à moins qu'elle ne soit très élevée. Le courant inverse des diodes au silicium est inférieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des diodes au germanium. Augmentation supplémentaire de la tension inverse jusqu'à tension de claquage(échantillons U) conduit au fait que les électrons de la bande de valence se déplacent vers la bande de conduction, et un Effet Zener. Dans ce cas, le courant inverse augmente fortement, ce qui provoque un échauffement de la diode et une nouvelle augmentation du courant entraîne un claquage thermique et une destruction de la jonction p-n.
Désignation et détermination des principaux paramètres électriques des diodes
Désignation des diodes semi-conductrices
Comme indiqué précédemment, une diode conduit le courant dans un sens (c'est-à-dire qu'elle est idéalement juste un conducteur à faible résistance), dans l'autre sens elle ne le fait pas (c'est-à-dire qu'elle se transforme en un conducteur à très haute résistance), en un mot , il a conductivité unidirectionnelle. En conséquence, il ne tire que deux conclusions. Comme c'est devenu l'habitude depuis l'époque de la technologie des lampes, on les appelle anode(sortie positive) et cathode(négatif).
Toutes les diodes semi-conductrices peuvent être divisées en deux groupes : redresseurs et spéciaux. Diodes de redressement, comme leur nom l'indique, sont destinés au lissage CA. En fonction de la fréquence et de la forme de la tension alternative, ils sont divisés en haute fréquence, basse fréquence et pulsée. Spécial types de diodes semi-conductrices utilisées diverses propriétés jonctions p-n ; le phénomène de claquage, la capacité barrière, la présence de zones à résistance négative, etc.
Diodes de redressement
Structurellement, les diodes de redressement sont divisées en diodes planaires et ponctuelles, et selon la technologie de fabrication en alliage, diffusion et épitaxie. Diodes planaires grâce à grande surface les jonctions pn sont utilisées pour la rectification courants élevés. Les diodes ponctuelles ont une petite zone de jonction et sont donc conçues pour le redressement courants faibles. Pour augmenter la tension de claquage par avalanche, des colonnes de redressement sont utilisées, constituées d'une série de diodes connectées en série.
Les diodes de redressement haute puissance sont appelées par la force. Le matériau de ces diodes est généralement du silicium ou de l'arséniure de gallium. Les diodes en alliage de silicium sont utilisées pour redresser le courant alternatif avec une fréquence allant jusqu'à 5 kHz. Les diodes à diffusion de silicium peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées, jusqu'à 100 kHz. Les diodes épitaxiales en silicium à substrat métallique (avec barrière Schottky) peuvent être utilisées à des fréquences allant jusqu'à 500 kHz. Les diodes à l'arséniure de gallium sont capables de fonctionner dans la gamme de fréquences allant jusqu'à plusieurs MHz.
Les diodes de puissance sont généralement caractérisées par un ensemble de paramètres statiques et dynamiques. À paramètres statiques les diodes comprennent :
- chute de tension U pr sur la diode à une certaine valeur courant continu;
- courant inverse Je tourne à une certaine valeur de tension inverse ;
- valeur moyenne courant continu Je pr.sr. ;
- impulsion tension inverse Tu arr.i. ;
À paramètres dynamiques La diode comprend ses caractéristiques de temps et de fréquence. Ces paramètres incluent :
- temps de récupération tension inverse ;
- temps de montée courant continu I extérieur ;
- fréquence limite sans réduire les modes de diode f max.
Les paramètres statiques peuvent être définis à l'aide de la caractéristique courant-tension de la diode.
Le temps de récupération inverse des diodes tres est le paramètre principal des diodes de redressement, caractérisant leurs propriétés inertielles. Il est déterminé lorsque la diode passe d'un courant direct I pr donné à une tension inverse U arr donnée. Lors de la commutation, la tension aux bornes de la diode s'inverse. En raison de l'inertie du processus de diffusion, le courant dans la diode ne s'arrête pas instantanément, mais au fil du temps. Essentiellement, la résorption de charge se produit à la limite de la jonction pn (c'est-à-dire une décharge de capacité équivalente). Il s'ensuit que la perte de puissance dans la diode augmente fortement lorsqu'elle est allumée, surtout lorsqu'elle est éteinte. Ainsi, pertes de diodes augmenter avec l'augmentation de la fréquence de la tension redressée.
Lorsque la température de la diode change, ses paramètres changent. La tension directe sur la diode et son courant inverse dépendent le plus fortement de la température. Approximativement, nous pouvons supposer que TKN ( coefficient de température tension) Upr = -2 mV/K, et le courant inverse de la diode a un coefficient positif. Ainsi, à chaque augmentation de température de 10 °C, le courant inverse des diodes au germanium augmente de 2 fois et celui des diodes au silicium de 2,5 fois.
Diodes à barrière Schottky
Ils sont largement utilisés pour redresser les basses tensions et les hautes fréquences. Diodes à barrière Schottky. Ces diodes utilisent un contact de surface métallique au lieu d'une jonction PN. Au point de contact, des couches semi-conductrices dépourvues de porteurs de charge apparaissent, appelées couches de grille. Les diodes avec barrière Schottky diffèrent des diodes avec jonction pn par les paramètres suivants :
- plus bas droit chute de tension ;
- avoir plus marche arrière faible tension;
- plus courant élevé fuites ;
- presque complètement sans frais récupération inversée.
Deux caractéristiques principales rendent ces diodes indispensables : une faible chute de tension directe et un temps de rétablissement de la tension inverse court. De plus, l'absence de supports non principaux nécessitant un temps de récupération signifie que les aucune perte pour commuter la diode elle-même.
La tension maximale des diodes Schottky modernes est d'environ 1 200 V. À cette tension, la tension directe de la diode Schottky est inférieure de 0,2 à 0,3 V à la tension directe des diodes à jonction p-n.
Les avantages d'une diode Schottky deviennent particulièrement visibles lors du redressement de basses tensions. Par exemple, une diode Schottky de 45 volts a une tension directe de 0,4 à 0,6 V, et au même courant, une diode à jonction p-n a une chute de tension de 0,5 à 1,0 V. Lorsque la tension inverse chute à 15 V , la tension directe diminue jusqu'à 0,3...0,4 V. En moyenne, l'utilisation de diodes Schottky dans un redresseur peut réduire les pertes d'environ 10...15 %. La fréquence de fonctionnement maximale des diodes Schottky dépasse 200 kHz.
La théorie c'est bien, mais sans application pratique ce ne sont que des mots.
*Fondements physiques de la microélectronique ; Électronique; Flerov A.N., 2015.
Conférence 6, thèses
Diodes semi-conductrices
Types de diodes : les diodes sont :
- électrovide(kénotrons),
- rempli de gaz(gastrons, ignitrons, diodes Zener),
- semi-conducteur e.
Actuellement, dans la grande majorité des cas, des diodes semi-conductrices sont utilisées.
Diode semi-conductrice est un dispositif semi-conducteur avec deux bornes contenant une jonction p-n.
Riz. 6.1 Diode semi-conductrice(schéma) et désignation graphique conventionnelle (UGO) de la diode
Les plus utilisés sont le silicium (Si - 99% du parc total de diodes) de puissance, d'impulsion, etc., l'arséniure de gallium (GaAs) - les diodes micro-ondes, prometteuses - le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN), InGaN, AlGaN - les diodes micro-ondes, les LED (InP, PbS), les diodes semi-conductrices au germanium (Ge) sont moins couramment utilisées.
Conduction à sens unique p-n La transition est clairement illustrée par sa caractéristique courant-tension (caractéristique voltampère), montrant la dépendance du courant à travers p-n- transition de l'amplitude et de la polarité de la tension appliquée
Riz. Diodes 6,2 p/p, structures (non à l'échelle)
Classement des diodes
Par physique du travail- tunnel, vol d'avalanche, avec barrière Schottky, avec accumulation de charges, LED, etc.
Depuis méthode d'obtentionp- ntransitions les diodes semi-conductrices sont divisées (selon le type de transition) en deux types : ponctuel et planaire.
- de la technologie de fabrication les diodes à jonction pn sont divisées en pointe, microalliage, alliage, diffusion, épitaxie.
Diode ponctuelle e alors la diode est très petite zone transition électrique.
DANS 
Dans une diode ponctuelle, un fil métallique pointu est en contact avec une plaque de silicium ou de germanium (par exemple de type n), formant une jonction de redressement au point de contact (Fig. 6.1).
Pour créer un contact redresseur stable pendant la fabrication diode ponctuelle une aiguille métallique aiguisée avec une impureté à l'extrémité entre en contact avec la plaque indium ou aluminium.
À la suite de la diffusion thermique (apport de fortes impulsions de courant), une couche de type P se forme dans le cristal semi-conducteur.
Riz. 6.1 Option de conception
diode ponctuelle
Diode en microalliage occupent une position intermédiaire entre celles planaires et ponctuelles. Diodes en microalliage, qui ont également une petite zone de jonction.
Pendant la production diode en microalliage Une jonction p-n est formée, par exemple, par microfusion d'un mince fil d'or avec un additif dans un cristal (par exemple Ge).
gallium à la fin.
Les diodes avec des jonctions en microalliage se comparent avantageusement aux diodes ponctuelles avec une meilleure stabilité des paramètres, mais leur capacité de jonction est plus élevée et les fréquences limites sont inférieures à celles des diodes ponctuelles.
Diode en alliage
Pendant la production diodes en alliage l'impureté fond dans le silicium ou dans une autre sous-station.
Transitions électron-trou des diodes en alliage - pointu.
Riz. 6.2 Diode en alliage, structure et conception
Diode en alliage de faible puissance- une diode avec une valeur moyenne de courant redressé ne dépassant pas 0,3 A. Une colonne cylindrique d'aluminium (Al) est fusionnée au milieu d'une plaque de silicium (Si) avec une conductivité de type N (Fig. 6.2.1). Les atomes d'aluminium diffusent (pénétrent) dans la plaque, de sorte que la conductivité d'une partie du volume de la plaque près de la colonne devient un trou (type p). Entre lui et le reste du volume de la plaque a jonction р-n
avec une bonne conductivité de l'aluminium au silicium. Constructions diode en alliage
– sur la fig. 6.2.3.
Une diode de redressement en alliage de germanium de faible puissance a une conception similaire, seul l'indium est fusionné dans la plaque de germanium.- diode avec une valeur moyenne de courant redressé de 0,3 à 10 A. Une feuille d'aluminium est placée entre les tranches de silicium de type N et P et chauffée. L'aluminium est allié au silicium et une jonction p-n est formée à l'intérieur de la plaque monolithique résultante (Fig. 6.2.2).
Cette conception est illustrée dans (Fig. 6.2.4)
Diode de diffusion
avec une bonne conductivité de l'aluminium au silicium. diodes en alliage et à diffusion similaire.
Pendant la production diodes à diffusion Une jonction pn est créée à haute température par la diffusion d'une impureté dans le silicium ou le germanium à partir d'un milieu contenant paires d'impuretés matériel.
Riz. 6.3 Diode de diffusion
La jonction p-n planaire de diffusion est réalisée sur la base siliciumn-taper ou germanium de type p.
Les diffusants dans le premier cas sont le bore (B) et dans le second l'antimoine (Sb). La diffusion se produit lorsqu'elle est chauffée dans un four à hydrogène.
La plaquette de Si est chauffée à une température proche du point de fusion et la pastille de bore est chauffée jusqu'à évaporation. Dans ces conditions, des atomes de bore (B) se déposent à la surface de la plaque et s’y diffusent en profondeur. En conséquence, une couche de Si de type p est formée à la surface du cristal de Si. Une gravure ultérieure supprime cette couche de toutes les faces de la plaque sauf une.
Entre la couche de diffusion de silicium de type p et la plaque de Si de type n est formée lisse Jonction р-n (Fig. 6.3), dans laquelle l'émetteur est une couche de diffusion hautement dopée.
Méthode de diffusion permet un contrôle assez précis du processus de fabrication des transitions, ce qui garantit l'uniformité des paramètres des transitions fabriquées.
Structurellement, les diodes à diffusion planaire sont conçues dans des boîtiers métalliques avec des conducteurs. Pour améliorer la dissipation thermique, le cristal est soudé directement au corps, qui sert de borne.
Diodes épitaxiales
Épitaxie(diodes à diffusion planaire, épitaxiale-planaire) sont fabriquées par épitaxie et diffusion locale.
Épitaxie est le processus de croissance de couches monocristallines sur un substrat, qui agit comme une structure de support de la structure tout en maintenant l'orientation des cristaux du substrat.
L'épitaxie permet de faire croître des couches de tout type de conductivité, de résistivité requise et de toute épaisseur (jusqu'à plusieurs micromètres).
Diffusion locale appelé création d'une jonction pn par diffusion d'atomes d'impuretés dans la couche épitaxiale à travers une fenêtre dans un masque (par exemple, à partir d'oxyde de silicium)
Riz. 6.4 Diode épitaxiale planaire, jonction pn -1
Séquence de fabrication: la base est réalisée par croissance d'une couche n épitaxiale (3) à conductivité réduite sur un substrat (4) à conductivité accrue, oxydation (2) - création d'une couche d'oxyde de Si0 2, formant une « fenêtre » dans la couche d'oxyde de dioxyde de silicium Si0 2 par gravure du film d'oxyde, puis l'impureté donneuse (bore ou aluminium) est diffusée dans la couche épitaxiale à travers la fenêtre, créant une jonction p-n (1).
La métallisation des plots sur n+ et p+ pour les leads est réalisée.
Les câbles sont formés et installés dans le boîtier.
Les diodes à diffusion planaire se caractérisent par une fiabilité élevée, des paramètres stables et une longue durée de vie.
Diodes planaires ont de grandes zones de transition, de sorte qu'ils se caractérisent par de grandes capacités et des courants de fonctionnement importants (jusqu'à des centaines, voire des milliers d'ampères). Utilisé dans l'alimentation basse fréquence appareils électroniques(pouvoir).
Diodes de redressement
Conçu pour convertir la tension alternative (courant) en tension continue (courant) dans les circuits stabilisateurs électroniques.
Les diodes de redressement à semi-conducteurs sont nettement supérieures à tous les autres types de vannes (vannes de lampe) en termes de fiabilité de fonctionnement et de durée de vie. Ils sont donc les plus largement utilisés dans les alimentations.
Caractéristiques IV des diodes- la principale caractéristique des diodes semi-conductrices.
Exemple
Circuit équivalent à la diode de redressement
Riz. 6.5 Circuit équivalent à diode
r pn = T /I (6.1)
Potentiel de température T ;
r b – unités - dizaines [Ohm] ;
C d - unités - dizaines [pF]
La chute de tension directe des diodes de redressement au silicium ne dépasse pas
(1-2)V et plus que celui du germanium.
Ainsi, dans les dispositifs redresseurs basse tension, il est plus rentable d'utiliser des diodes au germanium.
Mais les diodes au silicium ont des courants inverses plusieurs fois inférieurs à la même tension que les diodes au germanium, elles sont donc principalement utilisées.
La tension inverse admissible des diodes au germanium se situe dans les limites :
U o 6 pGe = 100-400 V, diodes au silicium : U o 6 psi = 1 000 - 1500B.
Exemple: redresseur à diodes
Le fonctionnement d'une diode de redressement semi-conductrice est basé sur la propriété
Une jonction p-n permet au courant de passer dans une seule direction. Le circuit redresseur (demi-onde) le plus simple basé sur une diode semi-conductrice, Fig. 6.6 :
Riz. 6.6 Circuit redresseur demi-onde
Le transformateur est utilisé pour convertir la valeur de tension, c'est-à-dire pour obtenir la tension spécifiée à la sortie du redresseur.
Dans ce circuit, le courant traversant la diode et la charge R. H circule uniquement pendant les demi-cycles positifs de la tension d'entrée U ex , et la courbe de tension à la charge sera constituée d'alternances positives d'une onde sinusoïdale (si la capacité C est déconnectée)
La capacité C atténue les ondulations de tension unipolaires au niveau de la charge Rн.
Afin d'éviter la perte de tension demi-cycle, il est utilisé circuit redresseur double alternance -circuits de point médian et de pont.
Fig.6.8 Allumage des diodes dans un circuit en pont (a) et diagrammes de la tension d'entrée et de sortie des circuits demi-onde et pleine onde (b).
Paramètres de la diode redresseur (de base)
1. Courant de diode directe maximal autorisé Dansr.maximum
2. Chute de tension directe Unp - valeur de la tension directe sur la diode à un moment donné
valeur actuelle à terme ;
3. Tension inverse maximale autorisée Uarr.maximum
4. Fréquence de fonctionnement maximale, fmax
5. Dissipation de puissance maximale admissible Réop.maximum
Diode Zener
Diode Zener- diode semi-conductrice conçue pour stabiliser la tension.
Riz. 6.8 Symbole graphique
Le matériau utilisé pour les diodes Zener semi-conductrices est généralement du silicium, qui présente une stabilité à haute température.
Riz. 6.9 Caractéristiques IV d'une diode Zener
DANS connexion directe de la caractéristique courant-tension La diode Zener n'est pratiquement pas différente de la branche droite de n'importe quelle diode au silicium.
Branche inverse de la caractéristique courant-tension on dirait une ligne droite ligne verticale, presque parallèle à l'axe actuel.
Le mode de fonctionnement normal de la diode Zener est un fonctionnement à tension inverse dans le domaine des pannes électriques p- n transition.
Par rapport aux diodes conventionnelles, une diode Zener a une tension de claquage assez faible (lorsqu'elle est allumée en sens inverse) et peut maintenir cette tension à un niveau constant même avec un changement significatif de l'intensité du courant inverse.
Le matériau semi-conducteur des diodes Zener a concentration élevée d'impuretés d'alliage (transition étroite). Par conséquent, à des tensions inverses relativement faibles, un fort champ électrique apparaît dans la jonction, la provoquant panne électrique, étant dans ce cas réversible (si le claquage thermique ne se produit pas en raison d'une violation du bilan thermique).
Le fonctionnement de la diode Zener repose sur deux mécanismes :
- panne d'avalanche(Dégradation des avalanches) se développe généralement dans des zones assez larges. p- n-les transitions. Tension de stabilisation > 5-6 V.
- panne de tunnel ( Panne Zener, Zener, dans la littérature anglaise, diode Zener) ,
se développe en mince p-n transitions à intensité de champ électrique élevée. Tension de stabilisation< 5В.
Ils sont présents ensemble dans n’importe quelle diode Zener, mais un seul d’entre eux prédomine.
Lorsque le courant traversant l'appareil change sur une large plage, la chute de tension à ses bornes ne change pratiquement pas. Cette propriété des diodes Zener au silicium leur permet d'être utilisées comme stabilisateur de tension.
Afin d'éviter une panne thermique, la conception de la diode Zener permet d'évacuer la chaleur de la jonction p-n.
Exemple:Circuit de connexion de diode Zener (stabilisateur paramétrique)
Le schéma de stabilisation le plus simple Tension continue- riz. 6.10
La tension de sortie du stabilisateur doit rester constante lorsque la tension de sortie change ou que la résistance de charge change.
Riz. 6.10 Stabilisateur paramétrique
La tension de sortie du stabilisateur ne peut pas être absolument stable. Incréments U cm sont petits et dépendent des incréments de tension d'entrée Usaisir .
U po = U cm + I R 0 R 0 , (6.2)
où rq - résistance de limitation de courant.
I R 0 = (U entrée - U cm)/ R 0 , (6.3)
Avec une augmentation de la tension d'entrée Uin + Uin
I’ R 0 = (U po + U po - U cm)/ R 0 (6.4)
Dans ce cas, I' R 0 > I R 0 et I' cm > I cm, le courant traversant la diode Zener augmente.
Le paramètre qui détermine la qualité du stabilisateur est coefficient de stabilisation.
Coefficient de stabilisation est défini comme suit :
(avec 1 N considéré comme constant)
(6.5)
Paramètres de base des diodes Zener
2. Courant minimum de stabilisation 1 St (~3 mA) - la valeur du courant qui le traverse
Diode Zener, au cours de laquelle une panne stable se produit.
3. Courant de stabilisation maximal 1 St MAXIMUM (~20 mA – 1A) - valeur actuelle
circulant à travers la diode Zener, dans lequel la puissance dissipée sur la diode Zener n'est pas
dépasse la valeur admissible.
4. Dissipation de puissance maximale P. Pennsylvanie Avec c = U cm je cm - puissance maximale libérée
à la jonction p-n, dans laquelle aucun claquage thermique de la jonction ne se produit.
5. Résistance différentielle r cm = U cm / je cm rapport d'incrément de tension
sur la diode Zener à l'incrément de courant en mode stabilisation. Caractérise le diplôme
stabilité de la tension de stabilisation lorsque le courant de claquage change.
Sur le chantier de stabilisation r cm~const; r cm= 0,5 - 200 ohms.
6. Stabilisation du coefficient de température de tension (TKU)
(6.6)
où t 1 °C est la température initiale.
TKU = 0,1 ...0,01%/°C
Pour l'auto-apprentissage
ANNEXE 3
Désignation des diodes
XXXXXX(par exemple, KD243A)
1er élément (lettre ou chiffre) indique le matériel source :
G (1) - germanium;
K (2) - silicium ;
A (3) - composés de gallium ;
Et (4) – composés d'indium.
S'il n'y a pas une lettre, mais un chiffre, cela signifie que l'appareil peut fonctionner à des températures élevées (appareil au germanium à 70°C ; appareil au silicium à 120°C).
2ème élément (lettre) indique le type de diode semi-conductrice :
D - redresseur, universel, impulsionnel ;
A - ultra haute fréquence ;
C - diodes Zener et stabilisateurs ;
Et - tunnel et parement ;
B – varicaps ;
C - postes de rectification ;
L – radiatif ;
F – photodétecteurs.
3ème élément (chiffre) - un nombre qui détermine le but et les propriétés de qualité des diodes.
1 - Diodes redresseurs basse consommation (1pr Épouser < 0, POUR);
2 - Diodes de redressement moyenne puissance (0,3A< 1pr Épouser < 10A);
4. Diodes à impulsions avec un temps de récupération inférieur à 500 ns.
Pour les diodes Zener 3 Le ème élément de la désignation détermine l'indice de puissance.
Exemple:
R. tah < 0,3W : 1 U cma b< 10в
2 10B< U cma 6 < 99B ;
3 100V< U стаб < 199В.
0.3 BT< P. maximum < 5W : 4 U cma b<10В;
4ème et 5ème éléments (chiffres) - numéro de série du développement (de 0 à 99).
Pour les diodes Zener, il s'agit d'une désignation de tension de stabilisation.
Exemple: KS156 Un -5,6 V
6ème élément (lettre) détermine le type d'appareil en fonction des caractéristiques technologiques, et pour les diodes Zener et les stabilisateurs - indique la séquence de développement.
Exemple: GD412A- diode semi-conductrice, germanium, universelle, germanium, numéro de développement 12, groupe A.
**************************************************************
D9, D102 – « anciens » noms
Si une couche protectrice percée de trous est appliquée sur la surface du semi-conducteur et que l'impureté se diffuse à travers ces trous, on obtient planaire jonction p-n.
La capacité intrinsèque des diodes à diffusion est inférieure à celle des diodes fondues et s'élève à C d 1...2 pF.
Marquage PPD fournit six caractères. Le premier caractère - une lettre (pour les diodes à usage général) ou un chiffre (pour les diodes spéciales - fonctionnant à des températures élevées) - indique le matériau semi-conducteur : G (1) - germanium, K (2) - silicium, A (3) -GaAs. Le deuxième symbole est une lettre indiquant la sous-classe de diodes : D - redresseur, diodes haute fréquence (universelles) et pulsées ; B – varicaps ; C – diodes Zener et stabilisateurs ; L – LED. Le troisième caractère est un nombre indiquant le but de la diode (pour les diodes Zener - puissance de dissipation) : trois - commutation, quatre - universelle. Les quatrième et cinquième caractères sont un nombre à deux chiffres indiquant le numéro de série du développement (pour les diodes Zener - la tension de stabilisation nominale). Le sixième caractère est une lettre indiquant le groupe paramétrique de l'appareil (pour les diodes Zener, la séquence de développement).
Exemples de marquages de diodes :
GD 412A – (G) – germanium, (D) – diode, (4) – universel, (12) – numéro de développement, (A) – groupe ;
KS 196 V - (K) - silicium, (C) - diode Zener, (1) - puissance à distance ne dépassant pas 0,3 W, (96) - tension de stabilisation nominale 9,6 V, (V) - troisième développement. Les désignations des diodes sur les circuits électriques sont illustrées à la Fig. 1.6
.
1. 6. Diodes de redressement
Le fonctionnement d'une diode de redressement est basé sur la propriété d'une jonction p-n de faire passer le courant dans un sens - vers l'avant.
La branche directe de la caractéristique courant-tension de la diode de redressement, illustrée à la Fig. 1.7, est linéaire même à un faible courant direct. C'est le principal domaine de fonctionnement de la caractéristique de la diode.
Les principaux paramètres des diodes de redressement qui caractérisent leur fonctionnement dans les circuits redresseurs comprennent :
U av.av – valeur moyenne chute directe tension déterminée par la caractéristique courant-tension à une valeur donnée de I pr.sr ;
I arr – la valeur moyenne du courant inverse à une valeur donnée de la tension inverse U arr ;
ƒ – plage de fréquences de fonctionnement dans laquelle le courant de diode ne diminue pas en dessous d'une valeur spécifiée. Les ouvrages de référence donnent souvent la fréquence maximale de la plage ƒ max.
De plus, les paramètres du mode électrique limite de la diode sont :
U rev.max – amplitude de tension inverse maximale admissible ;
I pr.max – valeur maximale du courant direct.
Les diodes de redressement sont divisées en petites diodes (je pr.sr.< 0,3 А), средней (0,3 < I пр.ср < 10 А) и большой (I пр.ср >10 A) de puissance.
Pour augmenter la tension inverse admissible, des pôles haute tension sont fabriqués dans lesquels plusieurs diodes sont connectées en série, ainsi que des unités de redressement contenant des diodes connectées en série et en parallèle (pour augmenter le courant direct).
Domaine d'application des diodes de redressement – Convertisseurs AC-tension CC(redresseurs – convertisseurs AC-DC.
1.7. Diodes Schottky
En 1939, le physicien allemand Voltaire Schottky découvre expérimentalement le phénomène de rectification des signaux faibles dans la zone de contact d'une aiguille métallique avec un cristal semi-conducteur. D’après le nom du scientifique, les diodes basées sur un contact métal-semi-conducteur étaient appelées diodes Schottky.
Pour qu’une barrière potentielle apparaisse, il est nécessaire que les fonctions de travail du métal et du semi-conducteur soient différentes. Dans un semi-conducteur de type n, le travail de travail entre celui-ci et le métal doit être inférieur à celui entre le métal et le semi-conducteur (F OUT 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 différence de contact potentiels : U k = (F OUT m – F OUT n) /e, où e est la charge de l’électron. En raison de la conductivité électrique élevée du métal, le champ électrique n'y pénètre pas et une différence de potentiel Uk est créée dans la couche proche de la surface du semi-conducteur. Lors de la fabrication d'une diode Schottky (Fig. 1.8), un cristal semi-conducteur légèrement dopé (Si, GaAs) est recouvert de couche mince métal (Au, Al, Ag, Pt, etc.) par des méthodes d'évaporation sous vide, de pulvérisation cathodique ou de dépôt chimique ou électrolytique. Dans ce cas, dans la région proche du contact du semi-conducteur, comme dans les diodes à jonction électron-trou, apparaît une barrière de potentiel dont une modification de la hauteur sous l'influence d'une tension externe entraîne une modification du courant via l'appareil.
La caractéristique courant-tension de la barrière Schottky (Fig. 1.9) présente un aspect asymétrique prononcé. Dans la région de polarisation directe, le courant augmente de façon exponentielle avec l'augmentation de la tension appliquée. Dans la région de polarisation inverse, le courant ne dépend pas de la tension. Dans les deux cas, avec polarisation directe et inverse, le courant dans la barrière Schottky est dû aux porteurs de charge majoritaires - les électrons. Pour cette raison, les diodes basées sur la barrière Schottky sont des dispositifs à action rapide, car elles manquent de processus de recombinaison et de diffusion. La chute de tension directe d'une diode Schottky au silicium est très faible, généralement de l'ordre de 0,2 à 0,45 V. La chute de tension est proportionnelle à la tension inverse maximale. Par exemple, la chute de tension aux bornes d'une diode avec une tension inverse de 10 V peut être aussi faible que 0,3 V. Plus la tension inverse et le courant nominal maximum sont élevés, plus la chute de tension directe est importante en raison de l'épaisseur croissante de la couche N.
Inconvénients des diodes Schottky :
d'une part, si la tension inverse maximale est brièvement dépassée, la diode Schottky tombe en panne de manière irréversible, contrairement aux diodes silicium, qui passent en mode claquage inverse, et à condition que la puissance maximale dissipée sur la diode ne soit pas dépassée, après suppression de la tension la diode se rétablit complètement ses propriétés ;
Deuxièmement, les diodes Schottky se caractérisent par des courants inverses accrus (par rapport aux diodes au silicium conventionnelles), qui augmentent avec l'augmentation de la température du cristal.
Actuellement, pour les besoins des convertisseurs et de l'électronique de puissance, la production de diodes Schottky à base de carbure de silicium est maîtrisée. La société CREE produit notamment des diodes Schottky à base de carbure de silicium avec des tensions jusqu'à 1200V et des courants jusqu'à 20A.
Le principal avantage des diodes Schottky (HSD) SiC haute tension réside dans leurs caractéristiques dynamiques exceptionnelles. La charge de récupération inverse (Qrr) de ces diodes est extrêmement faible (moins de 20 nC) et, par conséquent, les pertes de commutation sont minimes dans les applications typiques d'électronique de puissance à commutation. De plus, contrairement aux diodes PiN au silicium, le taux d'augmentation du courant (di/dt) ne dépend pas du courant direct et de la température. Les diodes fonctionnent normalement lorsque température maximale transition 175°C.
La société CREE produit une petite gamme de diodes SiC Schottky, composée de trois groupes : DS pour les tensions de 300, 600 V et 1200 V.
Les diodes Schottky sont produites par CREE dans des emballages plastiques standards TO-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3, TO-263.
Avantages de l'utilisation de diodes SiC
Les diodes Schottky de CREE sont utilisées dans l'électronique de puissance pulsée : dans les circuits correcteurs de facteur de puissance, dans les entraînements de moteurs électriques, etc. L'utilisation de ces diodes est justifiée lorsqu'elles fonctionnent à des fréquences et tensions élevées et rend leur utilisation économique.
Grâce aux propriétés uniques des diodes SiC, elles peuvent fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 500 kHz, offrant ainsi un rendement élevé d'environ 92 %.
Lorsqu'ils fonctionnent à hautes fréquences, les dimensions des inducteurs sont réduites d'environ 30 %. En raison de l'absence de courant de récupération inverse, les interférences électromagnétiques sont réduites, ce qui peut permettre d'économiser sur le coût d'un parasurtenseur.
Taille et poids réduits systèmes électroniques initialement motivée par la demande du marché pour une densité de puissance croissante. Afin d'atteindre cet objectif sans compromettre la fonctionnalité du système, il est nécessaire de réduire la taille et le poids de l'alimentation à découpage de ce système. En ce sens, les diodes SiC possèdent un certain nombre de propriétés remarquables:
Temps de récupération très court (presque nul !) des principaux porteurs de charge lors de la commutation ;
Plus haute tension panne supérieure à celle des appareils en silicium ;
Haute température fonctionnant jusqu'à +175°C ;
Fréquence de commutation élevée, jusqu'à 500 kHz, ce qui réduit la taille du filtre EMI et la taille des autres composants passifs.
Réduction ou suppression des circuits de registres actifs ou passifs.
Le coefficient de température positif de la chute de tension directe permet une connexion parallèle de diodes sans circuits de compensation supplémentaires.
