Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.

На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя

Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода

Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода

Меняем полярность источника питания — плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I _D.

Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.

Недостатки реального полупроводникового диода

На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.

При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения V_ϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов V_ϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый элемент, пропускающий ток только в одном направлении. Принцип работы диода основан на свойствах проводимости полупроводников, а именно на электронно-дырочном переходе.

На принципиальной электрической схеме диоды изображаются следующим образом:

 

Диоды изготавливают в основном методами сплавления и методом диффузии. Метод сплавления заключается в сплавлении пластин p и n – типов, а метод диффузии состоит во внедрении примесных атомов в полупроводниковую пластину. Благодаря этим способам изготавливаются большие площади p – n переходов – до 1000 мм2. А чем больше площадь перехода, тем больший ток можно через него пропускать.

Существуют также точечные (высокочастотные) диоды, площадь их p – n перехода меньше 0,1 мм2. Такие диоды изготавливаются с помощью соединения металлической иглы с полупроводником. Применяются точечные диоды в аппаратуре сверхвысоких частот при значении тока 10-20 мА.

Основные виды полупроводниковых диодов по функциональному назначению: выпрямительные, стабилитроны, импульсные, светодиоды, фотодиоды и т.д.

Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи. Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом.

Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю

 

 На рисунке схематично изображен график напряжения на резисторе.

 

Стабилитронами (опорными диодами) называются полупроводниковые диоды предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Для стабилизации напряжения в стабилитронах используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики в области электрического пробоя, для этого их включают в обратном направлении. При изменении тока протекающего через стабилитрон от значения Iстmin до Iстmax напряжение на нем почти не изменяется.

 

Стабилитроны стабилизируют напряжение от 3,5 В, а для стабилизации меньшего напряжения используют стабисторы. В стабисторах используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, поэтому их включают в прямом направлении.

Импульсным называется диод, который предназначен для работы в импульсных схемах. В прямом направлении импульсный диод хорошо проводит электрический ток. При обратном включении такого диода, обратный ток в нем резко увеличивается, а через короткий промежуток времени исчезает. Таким образом получается электрический импульс.

 

Просмотров:

Устройство и принцип работы полупроводниковых диодов | Electrotechnical Laboratory

Всем привет мои дорогие друзья, подписчики и коллеги.

Сегодня я хочу рассказать про то как устроены и работают полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод, это электронный прибор, который способен пропускать электрический ток, только в одном направлении. Такие приборы как правило применяются в выпрямительных устройствах, а также в электрических и электронных схемах, где нужно конкретное направление тока.

Схема однофазного мостового выпрямителя

Схема однофазного мостового выпрямителя

Основным элементом диода, являются полупроводники, как правило это кремний или германий. Но сами полупроводники обладают высокими сопротивлениями и низкой проводимостью, из-за того, что эти элименты являются четырехвалентными, и каждый его электрон на внешней орбите атома имеет связь с другим электроном другого атома. Для того, чтобы полупроводники могли проводить электрический ток, в них добавляют примеси, в виде доноров и акцепторов.

Кристаллическое строение атома кремния

Кристаллическое строение атома кремния

Диод имеет две зоны проводимости это р — зона и n — зона. В зону p — типа добавляют акцепторы, в виде трехвалентных химических элементов, которые образуют дырки, а в зону n — типа — доноры — пятивалентные химические элементы, которые образуют свободные электроны.

Пример примесей доноров и акцепторов

Пример примесей доноров и акцепторов

Две эти зоны соединены на кристаллическом уровне. Сам диод имеет два вывода, анод и катод.

При подачи на диод прямое напряжение, (к аноду — плюс, к катоду — минус) свободные электроны начнут переходить из области — n, в область — p, а дырки начнут перемещаться из области — p в область — n. При этом его сопротивление уменьшится и диод будет проводить электрический ток.

При подачи на диод обратного напряжения, (к аноду — минус, к катоду — плюс) свободные электроны сместиться к выводу катода, а дырки к выводу анода, в зоне p-n перехода образуется запирающий слой, который увеличит сопротивление диода, который не позволит диоду пропускать электрический ток. А точнее ток будет протекать очень слабый, который называется обратным током.

Вольт-Амперная характеристика полупроводникового диода и прямая — обратная подача напряжения на диод

Вольт-Амперная характеристика полупроводникового диода и прямая — обратная подача напряжения на диод

Если вам понравился это материал, то поставьте ему лайк, а также не забудьте подписаться на наш канал и нажать на колокольчик, чтобы не пропускать новые выпуски. Всем пока.

типы, классификация, принцип действия, характеристики, устройство и использование

Полупроводниковые диоды широко применяются в электронике и электронной промышленности. Они используются как самостоятельно, так и в качестве p-n-перехода транзисторов и многих других устройств. Как дискретный компонент диоды являются ключевой частью многих электронных схем. Они находят множество применений, начиная от маломощных приложений до выпрямителей тока.

Что такое диод?

В переводе с греческого название данного электронного элемента буквально обозначает «два вывода». Они называются анодом и катодом. В цепи ток проходит от анода к катоду. Полупроводниковый диод является односторонним элементом, и движение тока в противоположном направлении блокируется.

Принцип действия

Устройство полупроводниковых диодов очень разное. Это является причиной того, что существует много их типов, которые различаются как по номиналу, так и по исполняемым ими функциям. Тем не менее в большинстве случаев основной принцип работы полупроводниковых диодов одинаков. Они содержат р-n-переход, который и обеспечивает их базовую функциональность.

Этот термин обычно используется по отношению к стандартной форме диода. В действительности же он применим практически к любому их типу. Диоды составляют основу современной электронной промышленности. Все – от простых элементов и транзисторов до современных микропроцессоров – базируется на полупроводниках. Принцип действия полупроводникового диода основан на свойствах полупроводников. Технология опирается на группу материалов, внесение примесей в кристаллическую решетку которых позволяет получить участки, в которых носителями заряда являются дырки и электроны.

Р-n-переход

Диод р-n-типа получил свое название потому, что в нем используется р-n-переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Элемент обладает и другими свойствами, которые также находят широкое применение. Полупроводниковые диоды, например, способны излучать и регистрировать свет, изменять емкость и регулировать напряжение.

P-n-переход является базовой полупроводниковой структурой. Как следует из названия, он представляет собой соединение между областями p- и n-типа. Переход позволяет носителям заряда двигаться только в одном направлении, что, например, дает возможность преобразовывать переменный ток в постоянный.

Стандартные диоды обычно производятся из кремния, хотя также используется германий и другие полупроводниковые материалы, в основном для специальных целей.

Вольт-амперная характеристика

Диод характеризуется вольт-амперной кривой, которую можно разделить на 2 ветви: прямую и обратную. В обратном направлении ток утечки близок к 0, но с ростом напряжения он медленно увеличивается и при достижении напряжения пробоя начинает резко возрастать. В прямом направлении ток быстро нарастает с увеличением приложенного напряжения выше порога проводимости, который составляет 0,7 В для диодов из кремния и 0,4 В из германия. Элементы, в которых используются другие материалы, имеют другие вольт-амперные характеристики и напряжения порога проводимости и пробоя.

Диод c р-n-переходом можно рассматривать как устройство базового уровня. Он широко используется во многих приложениях – от сигнальных цепей и детекторов до ограничителей или подавителей переходных процессов в индукционных или релейных катушках и выпрямителей высокой мощности.

Характеристики и параметры

Спецификации диодов предоставляют большой объем данных. При этом точные пояснения того, что они собой представляют, не всегда доступны. Ниже приведены подробные сведения о различных характеристиках и параметрах диода, которые приводятся в спецификациях.

Материал полупроводника

Материал, используемый в р-n-переходах, имеет первостепенное значение, поскольку он влияет на многие основные характеристики полупроводниковых диодов. Наиболее широко применяется кремний, поскольку он отличается высокой эффективностью и низкими производственными издержками. Еще одним часто используемым элементом является германий. Другие материалы, как правило, применяются в диодах специального назначения. Выбор полупроводникового материала важен, поскольку от него зависит порог проводимости – около 0,6 В для кремния и 0,3 В для германия.

Падение напряжения в режиме прямого тока (U пр.)

Любая электрическая цепь, через которую проходит ток, вызывает падение напряжения, и этот параметр полупроводникового диода имеет большое значение, особенно для выпрямления, когда потери мощности пропорциональны U пр. Кроме того, электронные элементы часто должны обеспечивать небольшое падение напряжения, поскольку сигналы могут быть слабыми, но им все же необходимо преодолеть его.

Это происходит по двум причинам. Первая заключается в самой природе р-n-перехода и является результатом напряжения порога проводимости, которое позволяет току преодолеть обедненный слой. Вторая составляющая – нормальные резистивные потери.

Показатель имеет большое значение для выпрямительных диодов, по которым могут проходить большие токи.

Пиковое обратное напряжение (U обр. max)

Это наибольшее обратное напряжение, которое полупроводниковый диод может выдержать. Его нельзя превышать, иначе элемент может выйти из строя. Это не просто среднеквадратичное напряжение входящего сигнала. Каждая цепь должна рассматриваться по существу, но для простого выпрямителя с одной полуволной со сглаживающим конденсатором следует помнить, что конденсатор будет удерживать напряжение, равное пику входного сигнала. Затем диод будет подвергаться действию пика входящего сигнала в обратном направлении, и поэтому в этих условиях будет иметь место максимальное обратное напряжение, равное пиковому значению волны.

Максимальный прямой ток (U пр. max)

При проектировании электрической цепи необходимо удостовериться в том, что не превышаются максимальные уровни тока диода. По мере увеличения силы тока выделяется дополнительное тепло, которое необходимо отводить.

Ток утечки (I обр.)

В идеальном диоде обратного тока не должно быть. Но в реальных р-n-переходах он есть из-за присутствия в полупроводнике неосновных носителей заряда. Сила тока утечки зависит от трех факторов. Очевидно, что наиболее значимым из них является обратное напряжение. Также ток утечки зависит от температуры – с ее ростом он значительно повышается. Кроме того, он сильно зависит от типа полупроводникового материала. В этом отношении кремний намного лучше германия.

Ток утечки определяется при определенном обратном напряжении и конкретной температуре. Обычно он указывается в микроамперах (μA) или пикоамперах (pA).

Емкость перехода

Все полупроводниковые диоды обладают емкостью перехода. Обедненная зона представляет собой диэлектрический барьер между двумя пластинами, которые формируются на краю обедненного участка и области с основными носителями заряда. Фактическое значение емкости зависит от обратного напряжения, которое приводит к изменению переходной зоны. Его увеличение расширяет обедненную зону и, следовательно, уменьшает емкость. Этот факт используется в варакторах или варикапах, но для других применений, особенно радиочастотных, этот эффект необходимо свести к минимуму. Параметр обычно указывается в pF при заданном напряжении. Для многих радиочастотных применений доступны специальные низкоомные диоды.

Тип корпуса

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды производятся в корпусах разного типа и формы. В некоторых случаях, особенно при использовании в схемах обработки сигналов, корпус является ключевым элементом в определении общих характеристик этого электронного элемента. В силовых цепях, в которых важно рассеивание тепла, корпус может определять многие общие параметры диода. Устройствам большой мощности необходимо иметь возможность крепления к радиатору. Небольшие элементы могут производиться в свинцовых корпусах или в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Типы диодов

Иногда бывает полезно ознакомиться с классификацией полупроводниковых диодов. При этом некоторые элементы могут относиться к нескольким категориям.

Обращенный диод. Хотя он и не так широко используется, представляет собой разновидность элемента р-n-типа, который по своему действию очень похож на туннельный. Отличается низким падением напряжения в открытом состоянии. Находит применение в детекторах, выпрямителях и высокочастотных переключателях.

Инжекционно-пролетный диод. Имеет много общего с более распространенным лавинно-пролетным. Используется в СВЧ-генераторах и системах сигнализации.

Диод Ганна. Не относится к р-n-типу, но представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами. Он обычно используется для генерации и преобразования сигналов СВЧ в диапазоне 1-100 ГГц.

Светоизлучающий или светодиод – один из наиболее популярных типов электронных элементов. При прямом смещении ток, протекающий через переход, вызывает излучение света. В них используются составные полупроводники (например, арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид индия), и они могут светиться разными цветами, хотя первоначально ограничивались только красным. Существует множество новых разработок, которые меняют способ функционирования и производства дисплеев, примером которых являются OLED-светодиоды.

Фотодиод. Используется для обнаружения света. Когда фотон попадает на p-n-переход, он может создавать электроны и дырки. Фотодиоды обычно работают в условиях обратного смещения, при которых можно легко обнаружить даже небольшой ток, возникающий в результате действия света. Фотодиоды можно использовать для генерации электроэнергии. Иногда в качестве фотоприемников применяются элементы pin-типа.

Pin-диод. Название электронного элемента хорошо описывает устройство полупроводникового диода. У него стандартные области р- и n-типа, но между ними существует внутренняя область без примесей. Она оказывает эффект увеличения площади области истощения, которая может быть полезна для переключения, а также в фотодиодах и т. д.

Стандартный р-n-переход можно рассматривать как обычный или стандартный тип диода, который используется сегодня. Они могут применяться в радиочастотных или других низковольтных устройствах, а также в высоковольтных и высокомощных выпрямителях.

Диоды Шоттки. Имеют более низкое прямое падение напряжения, чем стандартные кремниевые полупроводники р-n-типа. При малых токах оно может составлять от 0,15 до 0,4 B, a не 0,6 В, как у кремниевых диодов. Для этого они изготавливаются не как обычно – в них используется контакт металл-полупроводник. Они широко применяются в качестве ограничителей, выпрямителей и в радиоаппаратуре.

Диод с накоплением заряда. Представляет собой разновидность СВЧ-диода, используемого для генерации и формирования импульсов на очень высоких частотах. Его работа основана на очень быстрой характеристике отключения.

Лазерный диод. Отличается от обычного светоизлучающего, поскольку производит когерентный свет. Лазерные диоды применяются во многих устройствах – от DVD и CD-приводов до лазерных указок. Они намного дешевле других форм лазеров, но значительно дороже светодиодов. Отличаются ограниченным сроком эксплуатации.

Туннельный диод. Хотя сегодня он широко не используется, ранее применялся в усилителях, генераторах и переключающих устройствах, схемах синхронизации осциллографов, когда он был эффективнее других элементов.

Варактор или варикап. Используется во многих радиочастотных устройствах. У данного диода обратное смещение меняет ширину слоя истощения в зависимости от приложенного напряжения. В этой конфигурации он действует как конденсатор с областью истощения, выполняющей роль изолирующего диэлектрика, и пластинами, образованными проводящими областями. Применяется в генераторах, управляемых напряжением, и радиочастотных фильтрах.

Стабилитрон. Является очень полезным типом диода, поскольку обеспечивает стабильное опорное напряжение. Благодаря этому стабилитрон используется в огромных количествах. Работает в условиях обратного смещения и пробивается при достижении определенной разницы потенциалов. Если ток ограничен резистором, то это обеспечивает стабильное напряжение. Широко используется для стабилизации источников питания. В стабилитронах имеют место 2 вида обратного пробоя: разложение Зинера и ударная ионизация.

Таким образом, различные типы полупроводниковых диодов включают элементы для маломощных и высокомощных применений, излучающие и обнаруживающие свет, с низким прямым падением напряжения и переменной емкостью. В дополнение к этому существует ряд разновидностей, которые используются в СВЧ-технике.

виды, как работает и область применения

Диод представляет собой простой полупроводниковый прибор, который нашел широкое применение в технике. Не каждый человек знает, что такое диод, и еще меньшее количество людей точно представляет себе принцип работы изделия.

При этом существует большое количество разновидностей этого прибора, о которых стоит знать всем, кто интересуется радиоэлектроникой.

Устройство и принцип работы

Если понять, как работает диод, то разобраться в устройстве этого полупроводникового прибора будет довольно просто.

Основу детали составляет токовый переход, соединенный с двумя контактами (положительным — анодом и отрицательным — катодом). При прямом включении напряжения открывается переход, сопротивление которого небольшое. В результате через изделие проходит ток, называемый прямым.

Если же при включении детали в схему изменить полярность, то сопротивление участка перехода резко возрастет, а показатель электротока будет стремиться к нулю. Такое напряжение принято называть обратным.

Современные диоды имеют принципиальное отличие от первых моделей, активно используемых во время радиоламп. В полупроводниковых радиодеталях токовый переход изготавливается из кремния или германия и носит название р-n-переход. Основное различие между этими материалами заключается в показателях прямого напряжения, при которых происходит открытие.

Так как полупроводниковый кристалл может эффективно работать в любых условиях, то необходимость создания особой среды исчезла.

В ламповых устройствах для этого в колбу закачивался специальный газ либо создавался вакуум. В результате современные изделия имеют небольшие габариты, а стоимость их производства значительно снизилась.

Основные виды

Диоды принято классифицировать по нескольким параметрам. В зависимости от рабочих частот, они могут быть низко-, высокочастотными, а также способными функционировать в условиях сверхвысоких частот. Также существует деление и в соответствии с конструктивными особенностями, где можно выделить следующие виды диодов:

• Диод Шоттки — вместо привычного p-n-перехода используется металл. С одной стороны, это позволяет добиться минимальных потерь напряжения при прямом включении. Однако с другой при высоком обратном токе, изделие быстро выходит из строя.
• Стабилитрон — позволяет стабилизировать напряжение.
• Стабистор — отличается от стабилитрона меньшей зависимостью напряжения от тока.
• Диод Гана — лишен p — n -перехода, вместо которого используется особый кристалл. Используется для работы в диапазоне сверхвысоких частот.
• Варикап — представляет собой сочетание диода с конденсатором. Емкость изделия зависит от обратного напряжения в области p — n -перехода, а применяется он при создании колебательных контуров.
• Фотодиод — попадание светового потока на токовый переход приводит к созданию в нем разности потенциалов. Если замкнуть в этот момент цепь, то в ней появится ток.
• Светодиод — при достижении определенного показателя тока в p — n -переходе, устройство начинает излучать световой поток.

Область применения

Сфера использования этих деталей в современной радиотехнике высока. Сложно найти устройство, которое работает без этих деталей. Чтобы понять, для чего нужен диод, можно привести несколько примеров:

• Диодные мосты — содержат от 4 до 12 полупроводниковых устройств, которые соединяются между собой. Основной задачей диодных мостов является выпрямление тока, и они активно используются, например, при создании генераторов для автомобилей.
• Детекторы — создаются при сочетании диодов и конденсаторов. В результате появляется возможность выделить низкочастотную модуляцию из различных сигналов. Применяются при изготовлении радио- и телеприемников.
• Защитные устройства — позволяют обезопасить электрическую схему от возможных перегрузок. Несколько изделий подключаются в обратном направлении. Когда схема работает нормально, то они остаются в закрытом положении. Как только входное напряжение достигает критических показателей, устройство активируются.
• Переключатели — такие системы на основе этих изделий позволяют осуществлять коммутацию высокочастотных сигналов.
• Системы искрозащиты — создание шунт-диодного барьера позволяет ограничить показатель напряжения в электроцепи. Для увеличения степени защиты вместе с полупроводниковыми деталями используются специальные токоограничивающие резисторы.

Это лишь несколько примеров использования диодов. Они являются достаточно надежными устройствами, с помощью которых можно решать большое количество задач. Чаще всего эти радиодетали выходят из строя по причине естественного старения либо из-за перегрева.

Если произошел электрический пробой изделия, то его последствия редко являются необратимыми, так как кристалл не разрушается.

Устройство полупроводниковых диодов

В зависимости от струк­туры различают точечные и плоскост­ные диоды. У точечных диодов линей­ные размеры, определяющие площадь n–р-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно боль­ше толщины перехода.

Точечные диоды имеют малую ем­кость n –р-перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на лю­бых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади пере­хода обладают емкостью в десятки пикофарад. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер.

Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупро­водника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме пра­вильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и крем­ний, а в последнее время также арсенид галлия (GaAs) и другие соединения.

Принцип устройства точечного дио­да показан на рисунке 2.8. Тонкая за­остренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке по­лупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундиру­ют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода (см. п. 1.4). Таким образом, около иглы образуется миниатюрный n-р-переход полусферической формы. Следовательно, разница между точечными и плоскост­ными диодами заключается в площади n – р перехода.

Германиевые точечные диоды обыч­но изготовляются из германия n-типа со сравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная об­ласть германия р-типа работает в ка­честве эмиттера. Для изготовления кремниевых точечных диодов исполь­зуются кремний n-типа и игла, покры­тая алюминием, который служит акцеп­тором для кремния.

Плоскостные диоды изготовляются главным образом методами сплавления (вплавления) или диффузии (рисунок 2.9). В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 °С каплю индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнитель­но высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной плас­тинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа.

Рисунок 2.8 – Принцип устройства точечного диода

Комбинированием методов элекрохимического осаждения и сплавления изготавливаются (см. п 1.4) микро – сплавные диоды.

Рисунок 2.9 – Принцип устройства плоскостных германиевых диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным (б) методом

Диффузионный метод изготовления n–р-перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (см. п.1.4). Примесное вещество при этом обычно находится в газооб­разном состоянии. Для того чтобы диф­фузия была интенсивной, основной полу­проводник нагревают до более высокой температуры, чем при методе сплавления. Например, пластинку германия n-типа нагревают до 900 °С и помещают в пары индия. Тогда на поверхности пластинки образуется слой германия р-типа. Изменяя длительность диффу­зии, можно довольно точно получать слой нужной толщины. После охлажде­ния его удаляют путем травления со всех частей пластинки, кроме одной гра­ни. Диффузионный слой играет роль эмиттера. От него и от основной пластинки делают выводы. При диффу­зионном методе атомы примеси прони­кают на относительно большую глуби­ну в основной полупроводник, и по­этому n–р-переход получается плавным, т. е. в нем толщина области изменения концентрации примеси сравнима с тол­щиной области объемных зарядов.

Современные полупроводниковые кремниевые диоды создаются по планарной и планарно – эпитаксиальной технологии. Название «планарный» дано от английского слова Planag – плоский. Основу планарной технологии составляет метод фотолитографии, рассмотренный в п.1.4.

Последовательность операций для получения его представлена на рисунке 2.10.

 

 

Рисунок 2.10 — Последовательность операций планарной технологии:

а – окисление, нанесение фоторезиста; б — засвечивание; в – вскрытие окон; г – локальная диффузия.

 

На исходной полупроводниковой пластине кремния n-типа получают плёнку окисла SiO₂ методом оксидного маскирования (см. п.1.4), которую затем покрывают слоем свёточувствительного вещества — фоторезиста (рисунок 2.10 а). После этого поверхность через специальную маску (фотошаблон) засвечивается ультрафиолетовым светом (рисунок 2.10 б). Затем слой фоторезиста проявляется с помощью специ­альных проявителей. При этом облученные участки фоторезиста задубливаются и переходят в нерастворимое состояние, а необлученные растворяются. Далее осуществляется травление пленки окисла, и получается «окно» для диффузии примесей. После этого специальным составом удаляют слой фо­торезиста (рисунок 2.10 в). Через образовавшееся с помощью фотолитографии «окно» проводят локальную диффузию примесей в исходную пластинку кремния и получают p-n-переход (рисунок 2.10 г).

После этого через маску наносят выводы в виде металлических слоёв.

Для создания планарно-эпитаксиальных диодов дополнительно используется метод эпитаксии, рассмотренный ранее в подразделе 1.4. Т.е. на исходной полупроводниковой низкоомной пластине кремния, например n⁺-типа выращивается высокоомный слой n, сохраняющий структуру пластины, но имеющий иную удельную проводимость.

Затем планарным методом создаётся область р-типа.

На рисунке 2.11 показан принцип устройства планарно-эпитаксиального диода.

                

 

Рисунок 2.11 – Принцип устройства планарно-эпитаксиального диода

 

Планарно-эпитаксиальные диоды позволяют увеличить пробивное напряжение и получить при этом небольшую ёмкость p-n переходе.

В технике высоких частот часто используется диод Шотки, полученный на основе контакта металл-полупроводник. Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная плёнка с электропроводностью того же тока. На поверхность плёнки вакуумным напылением нанесён слой металла (рисунок 2.12)

               

 

Рисунок 2.12 — Принцип устройства диода Шотки

 

1 – пластина низкоомного кремния

2 – высокоомная эпитаксиальная плёнка

3 – слой металла

При работе диода в импульсном режиме, когда длительность импульсов небольшие, часто применяются так называемые мезадиоды (от латинского слова «меза — стол»).

Сначала на пластине основного полупроводника диффузионным методом создаётся слой с другим типом электропроводности. Далее эта пластинка покрывается специальной маской и подвергается травлению. Маска защищает от травления много небольших участков. Именно в этих защищённых областях остаются n-p-переходы малого размера, которые возвышаются над поверхностью пластинки в виде «столиков» рисунок 2.13

Затем пластинка срезается на отдельные части – диоды. Особенностью мезадиодов является уменьшенный объём базовой области. За счёт этого сокращается время накопления и рассасывания носителей в базе. Одновременное изготовление большого числа диодов из одной пластинки обеспечивает также сравнительно малый разброс их характеристик и параметров.

 

Рисунок 2.13 — Принцип устройства мезадиода

 

1 – слой с электропроводностью n-типа, полученный диффузией

2 – вывод от n-области

3 – участок, удаляемый травлением

4 – основная пластинка полупроводника p-типа

Слой n-типа можно получить не только методом диффузии, но и сплавным методом (мезасплавные диоды). Для создания мезадиодов используется планарная технология (меза-планарные диоды) и эпитаксиальная технология (меза-эпитаксиальные диоды).

 

Рабочий режим диода

       В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рисунок 2.14, а). В условном графическом обозначении (схематическом изображении) полупроводникового диода треугольник является анодом, черточка – катодом. Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода. Следовательно, треугольник нужно рассматривать как острие стрелки, показывающей условное направление прямого тока. Именно в этом направлении при прямом токе движутся дырки, электроны же движутся в противоположном направлении.

Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току R₀ и сопротивления нагрузочного резистора R_н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R₀ у него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, R_н и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

а)                                   б)                                                  в)

Рисунок 2.14 – Схема включения диода с нагрузкой и построение линии нагрузки

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и u. А для сопротивления R_н подобным уравнением является закон Ома:

i = u_R/R_н = (E – u)/R_н.                                               (2.2)

Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и u, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления R_н – это уравнение первой степени относи­тельно i и u. Его графиком является прямая линия, называемая линией на­грузки. Проще всего она строится по двум точкам на осях координат. При i = 0 из уравнения (2.2) получаем: Е – u = 0 или u = Е, что соответствует точке А на рисунке2.14, б. А если u = 0, то i = E/R_н. Откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). Через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки. Координаты точки Т дают решение поставленной задачи. Сле­дует отметить, что все остальные точки прямой АБ не соответствуют каким-либо рабочим режимам диода. Можно строить линию нагрузки по углу ее наклона α, поскольку R₀ = k ctg α Но это менее удобно, так как надо опреде­лять коэффициент k с учетом масшта­бов и находить угол α по его котан­генсу.

При построении линии нагрузки для сравнительно малых R_н точка Б окажется за пределами чертежа. В этом случае следует отложить от точки А влево произвольное напряжение U (рисунок 2.14, в) и от полученной точки В отложить ток, равный U/R_н (отрезок ВГ). Прямая, про­веденная через точки А и Г, будет линией нагрузки.

Иногда заданы u и i (точка Т) и сопротивление нагрузки R_н, а надо опре­делить Е, или, наоборот, при заданном Е требуется определить сопротивление нагрузки R_н. Графические построения для этих случаев предлагается сделать читателю самому. Во всех таких по­строениях следует руководствоваться уравнением (2.2).

Цепь с последовательно соединен­ными диодом и линейным нагрузочным резистором R_н является нелинейной. Характеристику такой цепи, называемую рабочей характеристикой диода, т. е. гра­фик зависимости i = f (Е), можно полу­чить суммированием напряжений для характеристик диода и нагрузочного резистора R_н (рисунок 2.15). Характеристика резистора R_н выражает закон Ома i = u_R/R_н и является прямой линией, проходящей через начало координат.

Рисунок 2.15– Построение рабочей характеристики для цепи, состоящей из последовательно соединенных диода и резистора нагрузки

Для построения этой прямой на график наносится точка, соответствующая про­извольному напряжению u_R и току u_R/R_н. Через эту точку и начало коор­динат проводится прямая. В предыду­щих построениях линия нагрузки не проходила через начало координат, по­тому что она выражала зависимость тока не от напряжения u_R, а от напря­жения на диоде u_.

Рабочую характеристику цепи i = f (E) строим, складывая для несколь­ких значений тока i напряжения u и u_R, так как Е = u + u_R. Например, при токе 3мА имеем: u = 0,4 В и u_R = 0,5 В. Суммируя эти напряжения, получаем Е = 0,9В и соответствующую точку результирующей характеристики. Ана­логично находим другие точки, и через них проводим плавную кри­вую.

Свойства последовательной цепи зависят главным образом от свойств участка цепи, имеющего большее сопро­тивление. Поэтому чем больше сопро­тивление R_н, тем меньше нелинейность результирующей характеристики. Сле­дует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не де­лать, если R_н >>R₀. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно по формуле i » E/R_н.

Рассмотренные методы расчета по­стоянного напряжения Е можно при­менить для амплитудных или мгновен­ных значений, если анодный источник дает переменное напряжение.

Выпрямительные диоды

В выпрямительных диодах используется вентельное свойство электронно-дырочного перехода, т.е. при прямом напряжении сопротивление р-n-перехода мало, а при обратном напряжении – велико.

Широко распространены низкочастот­ные выпрямительные диоды, предназна­ченные для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц (иногда до 50 кГц). Эти диоды приме­няются в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Иногда их называют силовыми диода­ми. Низкочастотные диоды являются плоскостными и изготовляются из гер­мания или кремния. Они делятся на диоды малой, средней и большой мощ­ности, что соответствует предельным значениям выпрямленного тока до 300 мА, от 300 мА до 10 А и выше 10 А. Все параметры диодов обычно указываются для работы при температу­ре окружающей среды 20±5°С.                                                                                                                                                                   

Германиевые диоды изготовляются, как правило, вплавлением индия в гер­маний n-типа. Они могут допускать плотность тока до 100 А/см² при пря­мом напряжении до 0,8 В. Предельное обратное напряжение у них не превы­шает 400 В, а обратный ток обычно бывает не более десятых долей милли­ампера для диодов малой мощности и единиц миллиампер для диодов сред­ней мощности. Рабочая температура этих диодов от – 60 до + 75 ^оС. Если диоды работают при температуре окру­жающей среды выше 20 °С, то необхо­димо снижать обратное напряжение. При пониженном атмосферном давлении или неудовлетворительном охлаждении воз­можен перегрев диодов. Чтобы не до­пускать его, следует снижать выпрямлен­ный ток.

Мощные германиевые диоды рабо­тают с естественным охлаждением. Они изготовляются на выпрямленный ток до 1000 А и обратное напряжение до 150 В.

Выпрямительные кремниевые диоды в последнее время получили особенно большое распространение. Они изготов­ляются вплавлением алюминия в крем­ний n-типа, а также сплава олова с фос­фором или золота с сурьмой в кремний р-типа. Применяется и диффузионный метод. По сравнению с германиевыми кремниевые диоды имеют ряд преи­муществ. Предельная плотность прямого тока у них до 200 А/см², а предельное обратное напряжение может быть до 1000 В. Рабочая температура от –60 до +125 °С (для некоторых типов даже до +150 °С). Прямое напряжение у крем­ниевых диодов доходит до 1,5 В, т. е. несколько больше, чем у германиевых диодов. Обратный ток у кремниевых диодов значительно меньше, чем у гер­маниевых.

Для выпрямления высоких напряже­ний выпускаются кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпу­сах, залитых изолирующей смолой. Они бывают рассчитаны на ток до сотен миллиампер и обратное напряжение до нескольких киловольт. Для более удоб­ной сборки различных выпрямительных схем, например мостовых или удвоительных, служат кремниевые выпрями­тельные блоки. В них имеется несколь­ко столбов, от которых сделаны отдель­ные выводы. Мощные кремниевые дио­ды выпускаются на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение от 50 до 1000 В.

Выпрямительные точечные диоды широко применя­ются на высоких частотах, а некоторые . типы и на СВЧ и могут также успешно работать на низких частотах. Эти диоды используются в самых раз­личных схемах, поэтому их иногда назы­вают универсальными. Германиевые и кремниевые диоды выпускаются с пре­дельным обратным напряжением до 150 В и максимальным выпрямленным током до 100 мА.

В выпрямительных диодах применяются также и p-i-перехо­ды, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля в p-n-переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой. Для этой же цели иногда используют р + -р- или n + -n-переходы. Для их получения методом эпитаксии на поверхности исходного полупроводника наращивают тонкую высокоомную пленку. На ней методом вплавления или диффузии создают p-n переходы, в результате чего получается структура р+-р-n или n+-n-р-гипа. В таких диодах успешно разрешаются противоречивые требова­ния, состоящие в том, что, во-первых, для получения малых обратных токов, малого падения напряжения в открытом состоянии и температурной стабильности характеристик необ­ходимо применять материал с возможно малым удельным сопротивлением; во-вторых, для получения высокого напряже­ния пробоя и малой емкости p-n-перехода необходимо приме­нять полупроводник с высоким удельным сопротивлением.

Эпитаксиальные диоды обычно имеют малое падение напряжения в открытом состоянии и высокое пробивное напряжение.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость их из-за большой площади p-n-переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

На рисунке 2.14 приведена вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) выпрямительных диодов малой мощности.

Здесь показано условное графическое обозначение выпрямительного диода (в). Вершина треугольника «стрелка» показывает направление прямого тока протекающего от большого потенциала «+» к меньшему потенциалу «-» (катоду).

Рисунок 2.14 — Вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов

 

Из приведенных ВАХ видно, что для кремниевых диодов по сравнению с германиевым прямые ветви характеристик, построенных при одних и тез же температурах, смещены в право. Т.е для получения одинаковых прямых токов необходимо к кремниевым диодам прикладывать большее прямое напряжение, чем к германиевым.

При увеличении температуры прямая ветвь характеристик становится более крутой. Обратный ток в кремниевых диодах меньше, чем у германиевых.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр max} — значение напряжения, приложенного в обратном на­правлении, которое диод может выдержать в течение длитель­ного времени без нарушения его работоспособности (десятки — тысячи В).

2. Средний выпрямленный ток диода I_{вп ср} — среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протека­ющего через диод (сотни мА — десятки А).

3. Импульсный прямой ток диода I_при— пиковое значение импульса тока при заданной максимальной длительности, скважности и формы импульса.

4. Средний обратный ток диода I_{oбр ср} — среднее за период значение обратного тока (доли мкА — несколько мА).

5. Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока U_{пр ср} (доли В).

6. Средняя рассеиваемая мощность диода Р_срд — средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях (сотни мВт—десятки и более Вт).

7. Дифференциальное сопротивление диода r_диф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы — сотни Ом).

В скобках указаны значения соответствующих параметров для маломощных диодов.

Система параметров не допускает работу выпрямительных диодов области электрического пробоя. Разновидностью выпрямительных диодов, допускающих в течение длительного интервала времени работу в области электрического лавинного пробоя на обратной ветви ВАХ, являются лавинные диоды. Эта особенность лавинных диодов позволяет эффективно применять их в качестве элементов закрытых цепей аппаратуры от импульсных перегрузок по напряжению.

На рисунке 2.15 показана конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В.

Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 50кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с жёсткими выводами. Тип диода и схема соединения диодов с выводами приводятся на корпусе. Масса диодов не более 6г.

На рисунке 2.16 показана конструкция кремниевых, эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А, 2Д245Б,В. Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 200 кГц во вторичных источниках электропитания. Выпускаются в металлопластмассовом корпусе с гибкими выводами. Положительный электрод соединён с металлическим основанием корпуса. Тип диода приводится на корпусе. Масса диода не более 4г.

На рисунке 2.17 показана конструкция кремниевых, диффузионных силовых диодов Д112-10 и др. Диоды предназначены для работы в цепях статических преобразователей электроэнергии постоянного и переменного токов на частотах до 1,5 кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе прямой (без знака Х) и обратной (со знаком Х) полярностей. Обозначение типа материала и полярность выводов приводятся на корпусе. Масса диода не более 6г.

 

 

Рисунок 2.15 — Конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В

 

Рисунок 2.16 — Конструкция кремниевых, эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А,Б,В

 

 

Рисунок 2.17 — Конструкция кремниевых, диффузионных силовых диодов Д112-10 и др.

 

Рекомендуемые страницы:

8.2. Полупроводниковые диоды. Устройство, принцип действия

Диодом называется контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной n — электропроводностью, другой с дырочной p -электропроводностью. На рис.8.6 изображены: структра диода и его условное обозначение. Диод имеет два электрода анод и катод, где (–) — катод, (+) — анод.

Рис 8.6. Структра диода и его условное обозначение

Диффузия свободных электронов и свободных дырок образует тонкий пограничный слой с разностью потенциалов, называемой напряженностью электрического поля EП. Пограничный слой обладает бесконечным сопротивлением и называется запирающим p—n-переходом. При отсутствии внешнего электрического поля ток через p—n-переход равен 0.

Наличие внешнего электрического поля EB, подключенного к диоду, зависит от его полярности. Если внешнее электрическое поле EB, направлено по направлению EП (рис.8.7), то миллиамперметр покажет небольшой обратный ток 0. Ток через диод не проходит, так как сопротивление пограничного слоя равно бесконечности.

Рис.8.7. Опытная проверка закрытого состояния диода

Если внешнее электрическое поле EB, направлено противоположно направлению EП (рис.8.8), то миллиамперметр покажет прямой ток . Ток

через диод проходит, так как сопротивление пограничного слоя незначительно.

Рис.8.8. Опытная проверка открытого состояния диода

На рис.8.9 изображена схема питания диода через нагрузочное сопротивление.

Рис 8.9. Электрическая цепь с диодом и нагрузкой

Вольтамперная характеристика диода (рис 8.10) показывает, что диод обладает односторонней проводимостью и пропускает ток только в прямом направлении.

Рис.8.10. Вольтамперная характеристика диода

Полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, светодиоды и фотодиоды. Выпрямительные диоды используют в выпрямителях для выпрямления переменных токов частотой

50Гц ÷ 50кГц. Импульсные диоды используют для выпрямления токов при импульсах микросекундной и наносекундной длительности.

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения. На рис.8.11 изображена вольтамперная характеристика стабилитрона, которая показывает, что стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется при обратном напряжении в предельных границах обратного тока.

Рис 8.11. Вольтамперная характеристика стабилитрона

На рис.8.12 приведена схема простейшего стабилизатора напряжения, в котором питающее напряжение U = IR + Uст, а общий ток I = Iст + Iн. Здесь изменяется ток I на ограничительном сопротивлении R за cчёт изменения тока Iст, проходящего через стабилитрон. При этом нагрузочный ток Iн и напряжение на нагрузке Uст не изменяются.

Рис.8.12. Схема простейшего стабилизатора напряжения

Светодиодами называют электронные приборы, которые излучают свет при прохождении через них тока в прямом направлении. Основным параметром светодиода является яркость свечения при токе и напряжении . На рис.8.13 приведена схема подключения светодиода к источнику питания.

Рис.8.13. Схема подключения светодиода к источнику питания

Полупроводниковые диоды

— обзор

6.10.1 Введение и история вопроса

С момента первых демонстраций когерентного излучения света и генерации в полупроводниковых диодах в 1960-х годах (Холл и др. , 1962; Холоняк и Беваква, 1962), полупроводник Лазеры стали ключевым компонентом для широкого круга приложений, включая телекоммуникации, оптическую память, накачку твердотельных лазеров, медицинскую визуализацию и общую хирургию. По стоимости, производительности, надежности и компактности полупроводниковый лазер выгодно отличается от любых других типов лазеров.Что еще более важно, электрическая инжекция может быть достигнута в диодном лазере. Резкое улучшение рабочих характеристик стало возможным за последние четыре десятилетия за счет включения двойных гетероструктур, квантовых ям и, недавно, квантовых точек в активную область полупроводникового лазера. Чтобы лучше понять недавний прогресс полупроводниковых лазеров и, что более важно, максимальную производительность таких устройств с включением квантовых точек в качестве усиливающей среды, важные рабочие параметры полупроводникового лазера, включая пороговый ток ( Дж _th ), характеристическая температура ( T ₀ ), ширина полосы модуляции ( f _{-3 дБ} ), коэффициент увеличения ширины линии (или α-параметр) и ЛЧМ.

Важным параметром полупроводникового лазера является пороговая плотность тока, которая представляет собой минимальную плотность тока инжекции, необходимую для получения генерации. Общее выражение для порогового тока полупроводникового лазера приведено ниже (Bhattacharya, 1996):

(1) Jth = Jth0 + qdΓηiτr∂g∂n [γ + 12lln1R1R2]

, где Jth0 — ток прозрачности, d толщина активного слоя, Γ фактор оптического ограничения, η _i внутренний квантовый выход, τ _r время жизни излучательной рекомбинации, ∂ г / ∂ n дифференциальный коэффициент усиления, γ потери в оптическом резонаторе, l — длина резонатора, а R ₁ и R ₂ обозначают отражательную способность граней.Хотя пороговый ток полупроводникового лазера зависит от ряда материалов и параметров устройства, фундаментальным соображением при создании устройств с низким порогом является улучшение дифференциального усиления. Пороговый ток полупроводникового лазера обычно имеет температурную зависимость, которую можно описать следующим эмпирическим соотношением:

(2) Jth = Jth0exp (TT0)

, где T ₀ — пороговый температурный коэффициент, а T температура устройства. T ₀ зависит от материалов активной области и лазерных структур. Видно, что большое значение Тл ₀ приводит к небольшой температурной зависимости порогового тока. Факторы, которые обычно ограничивают значения T ₀ , включают разброс носителей в зоне проводимости и валентной зоне, безызлучательную оже-рекомбинацию и утечку носителей из активной области лазера. Полупроводниковые лазеры с низким пороговым током и высокотемпературной стабильностью (большой T ₀ ) необходимы практически для любого практического применения.

Еще одним важным аспектом полупроводникового лазера является частотная характеристика или временное поведение устройства, когда ток возбуждения модулируется на высоких частотах. Для приложений в высокоскоростной оптической связи крайне желательно, чтобы выходной импульс лазера мог полностью повторять импульс тока инжекции. Частотная характеристика лазера описывается шириной полосы модуляции слабого сигнала, f _{— 3dB} , которая напрямую связана с резонансной частотой, f _r устройства (Bhattacharya, 1996). :

(3) fr = 12πcΓ∂g / ∂nqnrd (J − Jth)

, где n _r — показатель преломления оптического резонатора, а c — скорость света в свободном пространстве.Ширина полосы модуляции слабого сигнала пропорциональна квадратному корню из дифференциального усиления. Кроме того, ширина полосы модуляции увеличивается с увеличением тока инжекции. Однако высокие уровни инжекции могут генерировать значительное количество горячих носителей в активной области лазера, тем самым приводя к неквазифермиевским распределениям носителей. Результирующее сжатие усиления сильно ограничивает максимально достижимую ширину полосы модуляции. Важным моментом при разработке полупроводниковых лазеров для приложений в оптической связи является оптимизация полосы модуляции устройств.

Фактор увеличения ширины линии, или параметр α, напрямую связан с влиянием изменения показателя преломления при изменении тока инжекции на динамические характеристики полупроводникового лазера. Коэффициент увеличения ширины линии может быть выражен как (Генри, 1982)

(4) α = −4πλdn / dNdg / dN

, где λ — рабочая длина волны, а ∂ n _r / ∂ n и ∂ g / ∂ n — это дифференциальный показатель преломления и дифференциальное усиление, соответственно.Для многих приложений очень желателен небольшой или близкий к нулю параметр α. Небольшой параметр α обычно приводит к небольшому чирпу, вызванному модуляцией, что приводит к малой динамической ширине линии и, следовательно, к малой дисперсии сигнала в оптических волокнах. Параметр α также напрямую связан с характеристиками выходного луча лазера. Большой параметр α может привести к филаментации, антинаправлению и самофокусировке луча в лазере и вреден для операций с высокой мощностью (Marciante and Agrawal, 1996 Gehrig et al., 2004 г.). Чирп полупроводникового лазера прямо пропорционален коэффициенту увеличения ширины линии. При прямой модуляции моды Фабри – Перо полупроводникового лазера сдвигают длину волны, что приводит к расширению динамической ширины линии каждой моды. Для приложений в оптической связи требуются как небольшие значения параметра α, так и чирп.

Очевидно, что рабочие характеристики полупроводникового лазера в значительной степени определяются коэффициентом усиления и дифференциальным коэффициентом усиления.Следовательно, оптимизация усиления и дифференциального усиления за счет настройки зонной структуры и плотности состояний активной области была фундаментальным соображением при разработке высокоэффективных полупроводниковых лазеров. В этом отношении резко улучшенные характеристики были достигнуты за счет включения в качестве усиливающей среды гетероструктур с квантовыми ямами, проволокой и, в последнее время, точечных гетероструктур. В предельном случае лазера на квантовых точках трехмерное квантовое ограничение носителей приводит к дискретной плотности состояний, что приводит к чрезвычайно большому усилению и дифференциальному усилению.Было предсказано и дополнительно продемонстрировано, что в лазере на квантовых точках можно достичь почти идеальных характеристик, включая сверхнизкий пороговый ток, температурно-инвариантный режим работы, а также близкий к нулю параметр α и чирп.

Предложения по лазерам на квантовых точках были впервые сделаны Динглом и Генри (1976) и Аракавой и Сакаки (1982). Однако практические лазеры на квантовых точках стали возможны только с разработкой самоорганизующихся гетероструктур на квантовых точках в режиме роста Странского – Крастанова во время эпитаксиального роста.Среди первых продемонстрированных лазеров на квантовых точках — лазеры InAlAs видимого диапазона и InGaAs ближнего инфракрасного диапазона с краевым излучением квантовых точек на подложках из GaAs (Kirstaedter et al., 1994; Fafard et al., 1996; Kamath et al. , 1996; Мирин и др. , 1996; Шоджи и др. , 1996), за которыми вскоре последовали лазеры на квантовых точках 1,3 и 1,5 мкм (Huffaker и др. , 1998; Леденцов и др. , 2003; Mi и др., 2006а). Также были разработаны лазеры на основе квантовых точек с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) на основе GaAs (Saito et al. , 1996; Huffaker et al. , 1997a; Lott et al. , 1997). Тем временем были исследованы эпитаксиальный рост и характеристики квантовых точек других материальных систем, в том числе квантовых точек InAs / InP, InP / GaInP, InGaN / GaN и CdSe / ZnSe. Были продемонстрированы лазеры на квантовых точках с длинами волн излучения от ∼0,4 до ∼2,0 мкм.Значительное улучшение рабочих характеристик стало возможным благодаря детальному пониманию динамики носителей заряда и разработке специальных методов р-легирования и туннельной инжекции (Щекин и др. , 2002a; Бхаттачарья и др. , 2003 ). В результате производительность и надежность лазеров на квантовых точках сравнимы или лучше, чем у их аналогов на квантовых ямах.

Цель этой главы — дать общее представление о последних разработках лазеров на квантовых точках, от конструкции, эпитаксиального роста до современного состояния, а также провести углубленный анализ их фундаментальной динамики носителей и предельные эксплуатационные характеристики.Хотя в этой главе основное внимание уделяется лазерам с квантовыми точками In (Ga, Al) As на подложках GaAs и InP, также описывается недавний прогресс в полупроводниковых лазерах с использованием гетероструктур с квантовыми точками InP, Ga (In) N и CdSe. . В разделе 6.10.2 мы представляем обзор явных преимуществ использования квантовых точек в качестве среды усиления лазера. В разделе 6.10.3 описывается эпитаксиальный рост гетероструктур In (Ga) As / GaAs и InAs / InP на квантовых точках для применения в высокоэффективных лазерах на квантовых точках.В разделе 6.10.4 получены значения оптического усиления и скорости спонтанного излучения квантовых точек In (Ga) As / GaAs. Уникальная динамика носителей и связанные с ней проблемы инжекции носителей в лазерах на квантовых точках In (Ga) As / GaAs представлены в разделе 6.10.5. В разделе 6.10.6 описана конструкция высокоэффективных лазеров с краевым излучением на квантовых точках с использованием специальных методов p-легирования и туннельной инжекции. В разделе 6.10.7 описан недавний прогресс в разработке лазеров с краевым излучением на квантовых точках с рабочими длинами волн видимого диапазона 1.1, 1,3 и 1,55 мкм. Раздел 6.10.8 посвящен VCSEL с квантовыми точками In (Ga) As. Полупроводниковые лазеры, включающие в себя другие гетероструктуры с квантовыми точками, включая квантовые точки InP, (ln, Ga) N и CdSe, представлены в разделе 6.10.9. Наконец, выводы сделаны в разделе 6.10.10.

Диод | Инжиниринг | Fandom

Типы диодов

В электронике диод — это компонент, ограничивающий направление движения носителей заряда.Он позволяет электрическому току течь в одном направлении, но по существу блокирует его в противоположном направлении. Таким образом, диод можно рассматривать как электронную версию обратного клапана.

Первыми диодами были устройства на электронных лампах (в Великобритании они назывались вентилями, ), но сегодня наиболее распространенные диоды изготавливаются из сверхчистых полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий.

Термин был придуман Уильямом Генри Экклсом в 1919 году от греческих корней; di означает «два», а ode означает «путь».

Термоэмиссионные или газовые диоды []

Первыми диодами были устройства на электронных лампах (также известные как термоэлектронные клапаны), расположение электродов, окруженных вакуумом внутри стеклянной оболочки, по внешнему виду напоминало лампы накаливания. Расположение нити накала и пластины как диода было изобретено в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом (научным советником компании Маркони) на основе наблюдения Томаса Эдисона.

В ламповых диодах ток пропускается через катод — нить накала, обработанную смесью оксидов бария и стронция, которые являются редкоземельными металлами.Ток нагревает нить, вызывая термоэлектронную эмиссию электронов в вакуумную оболочку. В прямом режиме окружающий металлический электрод, называемый анодом, заряжается положительно, так что он электростатически притягивает испускаемые электроны. Однако при изменении полярности напряжения электроны нелегко высвободить из ненагретой поверхности анода, и, следовательно, любой обратный поток представляет собой очень небольшой ток.

На протяжении большей части 20-го века ламповые диоды использовались в приложениях аналоговых сигналов и в качестве выпрямителей в источниках питания.Сегодня ламповые диоды используются только в нишевых приложениях, таких как выпрямители в ламповых гитарах и усилители Hi-Fi, а также в специализированном высоковольтном оборудовании.

Большинство современных диодов основаны на полупроводниковых p-n переходах. В p-n диоде обычный ток может течь от стороны p-типа (анод) к стороне n-типа (катод), но не в противоположном направлении. Другой тип полупроводникового диода, диод Шоттки, формируется из контакта между металлом и полупроводником, а не из p-n-перехода.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода приписывается поведению так называемого обедненного слоя или обедненной зоны , которая существует на p-n-переходе между разными полупроводниками. Когда pn-переход создается впервые, электроны зоны проводимости (подвижные) из области с примесью азота диффундируют в область с примесью фосфора, где имеется большая популяция дырок (места для электронов, в которых нет электронов), с которыми электроны «рекомбинировать».Когда мобильный электрон рекомбинирует с дыркой, дырка исчезает, и электрон больше не подвижен. Таким образом, исчезли два носителя заряда. Область вокруг p-n-перехода становится обедненной носителями заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор. Однако ширина истощения не может расти без ограничений. Для каждой пары электрон-дырка, которая рекомбинирует, положительно заряженный ион легирующей примеси остается в области, легированной азотом, а отрицательно заряженный ион легирующей примеси остается в области, легированной фосфатом. По мере того, как рекомбинация продолжается и образуется больше ионов, через зону обеднения возникает увеличивающееся электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию.На данный момент существует «встроенный» потенциал в зоне истощения. Если на диод подается внешнее напряжение с той же полярностью, что и встроенный потенциал, зона обеднения продолжает действовать как изолятор, предотвращающий значительный электрический ток. Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова продолжиться, приводя к значительному электрическому току через p-n-переход. Для кремниевых диодов встроенный потенциал составляет примерно 0.6 В. Таким образом, если через диод пропускают внешний ток, через диод будет развиваться около 0,6 В, так что область, легированная P, будет положительной по сравнению с областью, легированной N, и диод, как говорят, будет повернут. на’.

ВАХ диода с P-N переходом (без масштаба).

Вольт-амперная характеристика диода может быть аппроксимирована двумя рабочими областями. Ниже определенной разницы потенциалов между двумя выводами обедненный слой имеет значительную ширину, и диод можно рассматривать как разомкнутую (непроводящую) цепь.По мере увеличения разности потенциалов на каком-то этапе диод станет проводящим и позволит зарядам течь, после чего его можно рассматривать как соединение с нулевым (или, по крайней мере, очень низким) сопротивлением. Точнее, передаточная функция логарифмическая, но настолько четкая, что выглядит как угол на уменьшенном графике ( см. Также обработку сигналов ).

Уравнение идеального диода Шокли (названное в честь Уильяма Брэдфорда Шокли) может использоваться для аппроксимации ВАХ p-n-диода.

,

, где I — ток диода, I _S — масштабный коэффициент, называемый током насыщения , q — заряд электрона (элементарный заряд ), k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура pn перехода и V _D — напряжение на диоде. Термин kT / q — это тепловое напряжение , иногда обозначаемое как V _T , и составляет приблизительно 26 мВ при комнатной температуре. n (иногда опускается) — коэффициент излучения , который варьируется от 1 до 2 в зависимости от процесса изготовления и материала полупроводника.

Можно использовать более короткие обозначения. Положив

и соотношение диода становится:

где (при комнатной температуре) — известная постоянная.

В нормальном кремниевом диоде при номинальных токах падение напряжения на проводящем диоде составляет примерно 0.От 6 до 0,7 вольт. Значение отличается для других типов диодов — диоды Шоттки могут иметь низкое напряжение 0,2 В, а светодиоды (светодиоды) могут иметь напряжение 1,4 В и более в зависимости от силы тока.

Ссылаясь на изображение ВАХ, в области обратного смещения для нормального выпрямительного диода PN, ток через устройство очень низкий (в диапазоне мкА) для всех обратных напряжений вплоть до точки, называемой пиковым обратным напряжением ( PIV). За пределами этой точки происходит процесс, называемый обратным пробоем, который приводит к повреждению устройства и значительному увеличению тока.Для диодов специального назначения, таких как лавинные или стабилитроны, концепция PIV не применима, поскольку они имеют преднамеренный пробой сверх известного обратного тока, так что обратное напряжение «фиксируется» до известного значения (называемого напряжением стабилитрона). Однако устройства имеют ограничение по току и мощности в зоне стабилизации или схода лавины.

Типы полупроводниковых диодов []

Есть несколько типов полупроводниковых диодов на переходе:

Нормальные (p-n) диоды

, которые работают, как описано выше.Обычно из легированного кремния или, реже, германия. До разработки современных кремниевых выпрямительных диодов использовалась закись меди, а затем селен; его низкая эффективность привела к гораздо более высокому падению прямого напряжения (обычно 1,4-1,7 В на «элемент», при этом несколько ячеек уложены друг над другом для увеличения пикового значения обратного напряжения в высоковольтных выпрямителях) и требовали большого радиатора (часто увеличивающего металлическая подложка диода), намного больше, чем потребовался бы кремниевый диод с такими же номинальными токами.

‘‘ Диоды, легированные золотом

Золото вызывает «подавление неосновных носителей». Это снижает эффективную емкость диода, позволяя ему работать на частотах сигнала. Типичный пример — 1N914. Германиевые диоды и диоды Шоттки также быстрые, как и биполярные транзисторы, «вырожденные», чтобы действовать как диоды. Диоды источника питания сделаны с расчетом на работу с максимальной частотой 2,5 x 400 Гц (иногда называемые американцами «французской мощностью»), поэтому они не годятся для работы с частотой выше килогерца.

Стабилитроны (произносится / ziːnər /)

диодов, которые могут проводить обратное направление. Этот эффект, называемый пробоем стабилитрона, происходит при точно определенном напряжении, что позволяет использовать диод в качестве прецизионного опорного напряжения. В практических схемах опорного напряжения стабилитроны и переключающие диоды включены последовательно и в противоположных направлениях, чтобы сбалансировать температурный коэффициент почти до нуля. Некоторые устройства, обозначенные как высоковольтные стабилитроны, на самом деле являются лавинными диодами (см. Ниже).Два (эквивалентных) стабилитрона, включенные последовательно и в обратном порядке, в одной упаковке, составляют поглотитель переходных процессов (или Transorb, зарегистрированная торговая марка). Они названы в честь доктора Кларенса Мелвина Зенера из Университета Южного Иллинойса, изобретателя устройства.

Лавинные диоды

диодов, которые проводят в обратном направлении, когда напряжение обратного смещения превышает напряжение пробоя. Они электрически очень похожи на стабилитроны и часто ошибочно называются стабилитронами, но выходят из строя по другому механизму, лавинному эффекту .Это происходит, когда обратное электрическое поле через p-n-переход вызывает волну ионизации, напоминающую лавину, приводящую к сильному току. Лавинные диоды предназначены для пробоя при четко определенном обратном напряжении без разрушения. Разница между лавинным диодом (который имеет обратный пробой выше примерно 6,2 В) и стабилитроном состоит в том, что длина канала первого превышает «длину свободного пробега» электронов, поэтому на выходе между ними происходят столкновения.Единственное практическое различие состоит в том, что оба типа имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.

Диоды подавления переходных напряжений (TVS)

Это лавинные диоды, разработанные специально для защиты других полупроводниковых устройств от электростатических разрядов. Их p-n-переходы имеют гораздо большую площадь поперечного сечения, чем у обычных диодов, что позволяет им проводить большие токи на землю без повреждений.

Фотодиоды

Полупроводники подлежат оптике

Что такое полупроводниковый диод? Прямое и обратное соединение диода

p n переход известен как полупроводниковый диод .Переход p n используется с целью выпрямления, так как он ведет только в одном направлении. Он также известен как кристалл , , диод , , поскольку он сделан из кремния или германия, подобного кристаллу. Обозначение полупроводникового диода показано ниже.

Имеет два терминала. Он ведет себя только тогда, когда он смещен вперед. Это означает, что клемма, соединенная со стрелкой, имеет более высокий потенциал, чем клемма, подключенная к шине, как показано на рисунке выше. Когда полупроводниковый диод имеет обратное смещение, он практически не проводит через него ток.

Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

Вольт-амперная или ВАХ полупроводникового диода — это кривая между напряжением на переходе и током цепи.

Схема схем показана ниже.

Резистор R включен последовательно с PN переходом, который ограничивает прямой ток диода от превышения предписанного предельного значения. Характеристики изучаются в трех разделах, т.е.нулевое внешнее напряжение, прямое смещение и обратное смещение. Они подробно описаны ниже.

Нулевое внешнее напряжение

Когда внешнее напряжение не подается, т. Е. Цепь разомкнута на ключе K, ток через цепь не течет. Это обозначено точкой 0 на графике, показанном ниже:

Прямое смещение

Когда ключ K замкнут, а переключатель двойного хода переведен в положение 1, как показано на приведенной выше принципиальной схеме A. PN-переход смещен в прямом направлении, поскольку полупроводник p-типа подключен к положительной клемме, а n-тип — к отрицательной. терминал питания.Теперь при увеличении напряжения питания изменением переменного резистора Rh. Ток в цепи увеличивается очень медленно, и кривая является нелинейной, показанной на приведенном выше характеристическом рисунке B как OA.

Медленный рост тока в этой области связан с тем, что приложенное извне напряжение используется для преодоления потенциального барьера 0,3 В, для Ge и 0,7 для Si PN перехода. Однако, как только потенциальный барьер устранен, и внешнее напряжение питания увеличивается.PN-переход ведет себя как обычный проводник, и ток в цепи очень резко возрастает, что представлено областью AB.

В этот момент ток ограничен последовательным сопротивлением R и небольшим значением прямого сопротивления перехода R _f . Кривая почти линейная. Если ток превышает номинальное значение диода, диод может быть поврежден.

Напряжение колена

Прямое напряжение (0,3 В для Ge и 0,7 В для Si-диодов), при котором ток через диод или p-n-переход начинает резко возрастать, известно как Knee Voltage .

Обратное смещение

Когда двухполюсный переключатель двойного направления (DPDT) переведен в положение 2, как показано на рисунке A. PN переход имеет обратное смещение, поскольку полупроводник p-типа подключается к отрицательной клемме, а n-тип — к положительной клемме поставка. При этом условии потенциальный барьер на переходе увеличивается. Следовательно, сопротивление перехода R _r становится очень большим и ток по цепи практически не течет.

Однако на практике в цепи протекает очень небольшой ток порядка микроампер.Этот ток известен как обратный ток и возникает из-за наличия неосновных носителей заряда при комнатной температуре.

Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения питания обратного смещения. Если обратное напряжение постоянно увеличивается, наступает стадия, когда кинетическая энергия электронов (неосновных носителей заряда) становится настолько высокой, что они выбивают электроны из полупроводниковых связей. В точке C происходит пробой перехода и сопротивление области барьера R _r резко падает.

Следовательно, обратный ток сильно возрастает до большого значения. Это может навсегда разрушить соединение. Обратное напряжение, при котором происходит разрыв pn перехода, известно как напряжение пробоя .

Из всего вышеприведенного обсуждения можно сделать следующие выводы.

• При нулевом внешнем напряжении ток через цепь или диод не протекает.
• При прямом смещении ток немного увеличивается до тех пор, пока барьерный потенциал не исчезнет.
• После напряжения колена прямой ток резко возрастает.
• Прямой ток ограничен последовательным сопротивлением R и небольшим значением сопротивления перехода Rf.
• Диод разрушается, когда прямой ток превышает номинальное значение диода.
• Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения из-за неосновных носителей. Максимальное значение обратного тока для Si-диода составляет всего 1 мкА. Для Ge это около 100 мкА.
• Обратное напряжение, при котором происходит разрыв перехода, известно как напряжение пробоя .
• При обратном напряжении, при обрыве перехода диод может выйти из строя.

Это все о полупроводниковых диодах.

Полупроводниковый диод

— определение, характеристики и применение

Полупроводниковый диод — тип диода, который содержит «p-n переход» из различных легированных полупроводниковых материалов.Это двусторонний нелинейный электронный компонент, где вывод, прикрепленный к слою « p » ( + ), называется анодом, а слой « n » ( — ) катодом. Этот электронный компонент используется в основном из-за его способности заставлять электрический ток течь только в одном направлении (от анода к катоду ) после прямого смещения вышеупомянутого «p-n перехода» с помощью положительного электрического напряжения.

Рис. 1. Обозначение полупроводникового диода

Однако в обратном направлении (обратное смещение p-n перехода с отрицательным электрическим напряжением) мы можем сказать, что в идеальном полупроводниковом диоде электрический ток не течет.Вот почему полупроводниковый диод часто называют «электрическим клапаном», который может пропускать или блокировать прохождение электрического тока.

---

Полупроводниковый диод — Задачи для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с полупроводниковыми диодами, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.

---

Полупроводниковый диод — внутренняя конструкция

Полупроводниковый диод состоит из двух полупроводниковых кристаллов с различным легированием — типа «p» и «n».Вместе они образуют так называемый « pn переход» , где слой «n» (с электронодонорными легирующими добавками) имеет избыточное количество электронов, которые здесь являются основными носителями (у нас больше электронов (-), чем электронные дырки (+)). Однако в слое «p» (примеси акцептора электронов) основными носителями являются электронные дырки (+), а не электроны (-), так что у нас больше дырок, чем нужно «заполнить», чем доступных электронов. Электронная дырка — это вакансия, созданная электроном, «путешествующим» из своего исходного места в какое-либо другое место в этом кристалле.На самом деле такой вещи, как «дыра», не существует, но отсутствие электрона делает ее как бы положительно заряженной частицей, которая притягивает отрицательные электроны, чтобы снова образовать пару (дырки тоже могут двигаться).

После их объединения начинается пропорциональное распределение электронов. Электроны, которых раньше не хватало в слое «p», переносятся туда из слоя «n», где их было слишком много. Итак, слой «n» — хороший друг для слоя «p», верно? 🙂 И здесь образуется так называемая зона истощения , которая предотвращает прохождение электрического тока (термодинамическое равновесие).

Рис. 2. P-N переход в состоянии термодинамического равновесия

Чтобы пропустить электрический ток через «pn переход» (электрический клапан включен), необходимо приложить внешнее положительное электрическое напряжение, чтобы «подтолкнуть» и помочь большой группе электронов и отверстий собраться вместе (прямое смещение диода) . После того, как они «проталкиваются» через область истощения с достаточной силой (V _F = 0,7 В), диод начинает проводить ток, поэтому он начинает течь через него.

Рис.3. P-N переход с прямым смещением (электрический клапан включен)

Чтобы убедиться, что электрический ток не течет (электрический клапан выключен), необходимо подать внешнее отрицательное напряжение на полупроводниковый диод (обратное смещение), чтобы сделать область обеднения еще больше (рисунок ниже).

Рис. 4. P-N переход с обратным смещением (электрический клапан выключен)

Со временем технологические требования росли, что привело к разработке новых типов диодов. Когда полупроводник сочетается с соответствующим металлом, мы получаем MS переход (металл-полупроводник), который также обладает выпрямительными свойствами (проводимость тока в одном направлении) — он используется, например, в быстрых диодах Шоттки .

Переходы

MS могут иметь одну из двух вольт-амперных характеристик:

• Несимметричный нелинейный
• Симметричный, линейный

Свойства MS перехода зависят в основном от состояния поверхности полупроводника и от выходной работы электронов из металла и самого полупроводника. Диод Шоттки в основном используется в системах, требующих быстрого времени переключения (решающее значение имеет малая емкость перехода C _Дж, диода) с частотами до нескольких десятков ГГц.

Полупроводниковый диод — вольт-амперная характеристика

На приведенном ниже графике показана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода . Это типичная характеристика для полупроводниковых диодов, используемых в электронике (V _F = 0,7 В). Полупроводниковый диод начинает проводить ток после превышения порогового значения прямого напряжения, указанного производителем в техническом паспорте. Полутермические диоды в основном используются для защиты других электронных компонентов.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Как определить, где анод, а где катод?

Простой мультиметр можно использовать для определения полярности диода. Есть как минимум три способа сделать это, но я покажу здесь два самых популярных способа, которые можно сделать даже с помощью самых дешевых мультиметров (получите мультиметр Basetech BT-11):

a) С помощью омметра (диапазон 2 кОм):

Рис. 6. Прямое смещение: Омметр покажет приблизительное прямое напряжение диода (около 0,7 В).

Рис.7. Обратное смещение: омметр показывает «1», что означает очень высокое сопротивление (электрический клапан выключен).

Вы также можете использовать функцию «проверка диодов» (символ диода на мультиметре), но результат будет таким же, как и выше, с использованием омметра.

b) Использование функции измерения VDC:

Рис. 8. Прямое смещение: мультиметр должен показывать падение напряжения примерно 0,7 В для кремниевых диодов

Рис. 9. Обратное смещение: мультиметр покажет приблизительное полное напряжение источника питания.(Примечание : Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с приведенным выше примером. На самом деле, я бы изменил полярность источника питания , потому что вы не можете отсоединить «руками» после припаянного компонента, если только вы не Разумеется, мы не хотим делать это с исправным рабочим компонентом. Я просто хотел показать вам пример, на который вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной или макетной плате)

Типы полупроводниковых диодов

• Выпрямительный диод — выпрямление переменного тока,
• Стабилитрон — стабилизация напряжения и тока в электронных системах,
• Светоизлучающий диод (LED) — излучает свет в инфракрасном или видимом спектре света,
• Диод переменной емкости — его емкость зависит от приложенного к нему напряжения при обратном смещении,
• Переключающий диод — используется в импульсных электронных системах, требующих очень короткого времени переключения,
• Туннельный диод — специально разработанный диод, характеризующийся областью отрицательного динамического сопротивления,
• Фотодиод — диод, который работает как фотоприемник — реагирует на световое излучение (видимое, инфракрасное или ультрафиолетовое),
• Диод Ганна — компонент, используемый в высокочастотной электронике.

Эксперимент для самостоятельного казни

Этот эксперимент позволит вам визуализировать принцип работы полупроводникового диода независимо от того, проводит ток или нет. Поскольку вы будете делать это сами, вам лучше запомнить этот урок.

Необходимых товаров:

Мы будем использовать две принципиальные схемы, которые вы видели ранее:

Рис. 10. В этом случае светодиод должен проводить ток и он должен гореть.

Рис.11. Здесь светодиод не должен светиться — диод не проводит ток ( Примечание: Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с приведенным выше примером. На самом деле, я бы изменил полярность источника питания, , потому что вы не можете размонтировать «руками» один раз припаянный компонент, если вы его не демонтируете. Конечно, мы не хотим делать это с исправным рабочим компонентом. Я просто хотел показать вам пример, что вы также должны заплатить внимание к правильному размещению компонентов на вашей печатной или макетной плате)

Ниже вы можете увидеть изображения, показывающие схему, установленную на макетной плате, и визуализацию двух противоположных положений светодиода (обратная полярность).

Рис. 12. Цепь «перенесена» на макетную плату (диод проводит ток)

Рис. 13. В этом случае, как вы можете видеть, диод не проводит ток (вставлен противоположным образом) ( Примечание: Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с приведенным выше примером. На самом деле, я бы изменил полярность источника питания, , потому что вы не можете отсоединить «руками» однажды припаянный компонент, если вы не удалите его из припоя.Конечно, мы не хотим делать это с исправным рабочим компонентом.Я просто хотел показать вам пример, на который вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной или макетной плате)

На первом снимке светодиод переведен в проводящее состояние. Потенциал напряжения на аноде был выше (+), чем на катоде (-), поэтому протекание тока было возможно. В нашем эксперименте мы использовали батарею на 9 В, поэтому ток, протекающий через диод, будет около 9 мА (рассчитано по закону Ома ).

На втором снимке диод был вставлен противоположным образом (потенциал напряжения на катоде был выше (+), чем на аноде (-)), поэтому диод вел себя как закрытый электрический клапан, который предотвращал протекание. тока — светодиод не горит.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

Цели обучения указаны в начале каждой главы. Эти учебные цели служат для предварительного просмотра информации, которую вы Ожидается, что вы узнаете в этой главе. Подробные контрольные вопросы: исходя из целей. Успешно завершив NRTC, вы указать, что вы достигли целей и усвоили Информация.Цели обучения перечислены ниже.

По завершении этой главы вы сможете следующее:

• Укажите в терминах энергетических диапазонов различия между проводниками, изолятор и полупроводник.
• Объясните теорию потока электронов и дырок в полупроводниках и как на полупроводник влияет легирование.
• Дайте определение термину «диод» и дайте краткое описание его строительство и эксплуатация.
• Объясните, как диод можно использовать как однополупериодный выпрямитель и как выключатель.
• Идентифицируйте диод по его символам, буквенно-цифровому обозначению и цветовой код.
• Перечислите меры предосторожности, которые необходимо соблюдать при работе с диодами и опишите различные способы их проверки.

ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Как вы помните из предыдущих исследований этой серии, полупроводники имеют электрические свойства где-то между изоляторами и проводники.Использование полупроводниковых материалов в электронных компонентах не ново; некоторые устройства стары как электронная лампа. Два из наиболее широко известными полупроводниками, используемыми сегодня, являются ПЕРЕХОДНЫЙ ДИОД и ТРАНЗИСТОР. Эти полупроводники подпадают под более общую категорию так называемые твердотельные устройства. ТВЕРДОЕ УСТРОЙСТВО — это не более чем электронное устройство, которое работает за счет движения электронов внутри твердого полупроводникового материала.

С момента изобретения транзистора твердотельные устройства были развивались и улучшались с невероятной скоростью. Были достигнуты большие успехи сделано в технологии изготовления, и нет обозримого предела в будущее этих устройств. Твердотельные устройства из полупроводниковые материалы предлагают компактность, эффективность, прочность и универсальность. Следовательно, эти устройства проникли практически в каждый область науки и промышленности.Помимо переходного диода и транзистор, было разработано целое новое семейство связанных устройств: стабилитрон, светоизлучающий диод, полевой транзистор и т. д. разработка, которая доминировала в твердотельных технологиях и, вероятно, оказали большее влияние на электронную промышленность, чем электронная лампа или транзистор, это ИНТЕГРИРОВАННАЯ ЦЕПЬ. Интегрированный Схема представляет собой крошечный кусок полупроводникового материала, который может производить полные функции электронной схемы.

По мере роста приложений твердотельных устройств потребность в знание этих устройств становится все более важным. Персонал в флоту сегодня придется разбираться в твердотельных устройствах, если они научиться ремонтировать и обслуживать электронные оборудование. Поэтому наша цель в этом модуле — предоставить широкую покрытие твердотельных устройств и, как широкое применение, мощность запасы.Мы начнем наше обсуждение с некоторой справочной информации. по развитию полупроводника. Затем мы перейдем к полупроводниковый диод, транзистор, специальные устройства и, наконец, твердотельные блоки питания.

РАЗРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Хотя полупроводники поздно достигли своего настоящего его история началась задолго до появления электронной лампы. Исторически сложилось так, что мы можем вернуться в 1883 год, когда Майкл Фарадей обнаружил, что сульфид серебра, полупроводник, имеет отрицательную отрицательную температурный коэффициент .Термин отрицательная температура коэффициент — это просто еще один способ обозначить его устойчивость к электрический ток уменьшается с увеличением температуры. Противоположный верно дирижера. Он имеет положительный температурный коэффициент . Из-за этой особенности используются полупроводники. широко в силовой измерительной технике.

Всего 2 года спустя другая ценная характеристика была обнаружена Мунк А.Розенсхолд. Он обнаружил, что некоторые материалы имеют исправляющие свойства. характеристики. Как ни странно, его находке было уделено мало внимания. заметьте, что 39 лет спустя его пришлось заново открыть Ф. Брауну.

Ближе к концу XIX века экспериментаторы начали замечать своеобразные характеристики химического элемента СЕЛЕН. Они обнаружил, что помимо его выпрямляющих свойств (способность преобразовать переменный ток в постоянный), селен был также светочувствителен — его сопротивление уменьшалась с увеличением силы света.Это открытие в конце концов привело к изобретению фотофона Александром Грэмом Беллом. В фотофон, который преобразовывал вариации света в звук, был предшественник радиоприемника; однако только после того, как рождение радио, что селен использовался хоть сколько-нибудь. Сегодня селен важный и широко используемый полупроводник.

Многие другие материалы были опробованы и протестированы для использования в коммуникациях. КРЕМНИЙ оказался наиболее стабильным из протестированных материалов, в то время как Галена, кристаллическая форма сульфида свинца, оказалась наиболее чувствительной. для использования в ранних радиоприемниках.К 1915 году Карл Бередикс обнаружил этот ГЕРМАНИЙ, другой металлический элемент, также имел выпрямляющий возможности. Позже он стал широко применяться в электронике для маломощных, низкочастотные приложения.

Хотя полупроводники были известны задолго до появления электронных ламп. изобретенные полупроводниковые приборы того времени не могли сравниться с производительность трубки. Радио требовалось устройство, которое могло не только обрабатывать мощность и усиливать, но также исправлять и обнаруживать сигнал.С лампы могли делать все это, тогда как полупроводниковые приборы этого день не мог, полупроводник вскоре вышел из строя.

Только с началом Второй мировой войны интерес возобновился. в полупроводнике. Была острая необходимость в устройстве, которое могло бы работать в пределах сверхвысоких частот радара. Электронные лампы имели слишком большие межэлектродные емкости для работы. В точечный полупроводниковый диод, с другой стороны, имел очень низкий внутренняя емкость.Следовательно, он оплатил счет; возможно разработан для работы на сверхвысоких частотах, используемых в радарах, тогда как электронная лампа не могла.

По мере того, как радар приобрел большее значение, связь-электронная оборудование стало более сложным, требования к лучшему твердотельному устройства смонтированы. Ограничения электронной лампы сделали необходимым поиск чего-то нового и необычного. Требовалось усилительное устройство это было меньше, легче, эффективнее и способно обрабатывать чрезвычайно высокие частоты.Это требовало многого, но если прогресс был чтобы быть произведенным, эти требования должны были быть выполнены. Серьезное изучение производство полупроводниковых материалов началось в начале 1940-х годов и продолжается поскольку.

В июне 1948 г. произошел значительный прорыв в области полупроводников. разработка. Это было открытие ТОЧЕЧНО-КОНТАКТНОГО ТРАНЗИСТОРА. Здесь на последний был полупроводником, который мог усиливать. Это открытие принесло полупроводник снова в конкуренции с электронной лампой.Год позже были разработаны ПЕРЕХОДНЫЕ ДИОДЫ и ТРАНЗИСТОРЫ. Соединение во многих уважает. Для сравнения, переходной транзистор был более надежным, генерировал меньше шума и имел более высокую управляемую мощность, чем его контактный брат. Переходный транзистор стал конкурентом электронная лампа во многих ранее неоспоримых применениях.

Полупроводниковые диоды нельзя было пренебрегать.Первоначальная работа Dr. Карл Зенер привел к разработке ZENER DIODE, который часто используется сегодня для точного регулирования напряжения источника питания. Значительно больший интерес к твердотельным диодам был вызван, когда Доктор Лео Эсаки, японский ученый, изготовил диод, который мог усилить. Устройство, получившее название ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД, имеет потрясающий коэффициент усиления и высокую скорость коммутационные возможности. Хотя он используется в обычном усилительные и колебательные контуры, его основное применение — компьютерная логические схемы.

Еще один прорыв произошел в конце 1950-х годов, когда было обнаружено что полупроводниковые материалы можно комбинировать и обрабатывать так, чтобы они функционировал как вся цепь или узел, а не как цепь составная часть. Этой концепции твердой цепи было дано много названий. такие как ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ЦЕПИ, МИКРОЭЛЕКТРОНИКА и МИКРОСХЕМА.

Итак, оглядываясь назад, мы видим, что полупроводник — это не что-то новый, но он прошел долгий путь за короткое время.

Q.1 Что такое твердотельное устройство?
Q.2 Дайте определение термину отрицательный температурный коэффициент.

Полупроводниковый диод

— статья энциклопедии

(PD) Изображение: John R. Brews
Меза-диодная структура (вверху) и планарная диодная структура с защитным кольцом (внизу).

Полупроводниковый диод — это устройство с двумя выводами, которое проводит ток только в одном направлении, состоящее из двух или более слоев, из которых по крайней мере один является полупроводником.Примером является диод pn , изготовленный путем соединения полупроводникового слоя типа p с полупроводниковым слоем типа n . Для обсуждения легирующих примесей и терминологии типа p- и n- . видеть легирующие примеси.

На рисунке показаны две из множества возможных структур, используемых для полупроводниковых диодов pn-, обе адаптированы для увеличения напряжения, которое устройства могут выдерживать при обратном смещении. В верхней структуре используется меза, чтобы избежать резкого искривления области p ⁺ — рядом с прилегающим слоем n-.В нижней структуре используется слегка легированное защитное кольцо p- на краю острого угла слоя p ⁺ — для распределения напряжения на большее расстояние и уменьшения электрического поля. (Верхние индексы, например, n ⁺ или n ^— , относятся к более тяжелым или более легким примесным уровням легирования.)

Типы

Полупроводниковые диоды бывают самых разных типов:

• pn -диод: переходной диод pn состоит из полупроводника типа n , соединенного с полупроводником типа p .
Стабилитрон
• : Стабилитрон — это особый тип диода pn , предназначенный для работы в области обратного пробоя и часто используемый в качестве регулятора напряжения. Напряжение пробоя в этих диодах иногда называют напряжением стабилитрона . В зависимости от рассчитанного диапазона напряжений диод может выйти из строя из-за пробоя стабилитрона, туннелирования электронов или лавинного пробоя.
• Диод Шоттки: Диод Шоттки изготовлен из металла, такого как алюминий или платина, на легированной полупроводниковой подложке.
Туннельный диод
• : как и стабилитрон, туннельный диод (или диод Эсаки) состоит из сильно легированных слоев типа n- и p с очень резким переходом между двумя типами. Проводимость происходит за счет электронного туннелирования.
• Светодиод: Светодиод предназначен для преобразования электрического тока в свет.
• Фотодиод: Фотодиод является инверсией светодиода, действует как фотодетектор, преобразуя падающий свет в обнаруживаемый электрический ток.
• pin -диод: pin -диод состоит из трех слоев: внутреннего (нелегированного) слоя между слоями типа p и n . Благодаря своим характеристикам быстрого переключения он используется в микроволновых и радиочастотных приложениях.
Диод Ганна
• : Диод Ганна представляет собой устройство с переносом электронов , основанное на эффекте Ганна в полупроводниках III-V, и используется для генерации микроволновых колебаний.
• Варактор: переход pn , используемый при обратном смещении в качестве конденсатора переменного напряжения для настройки радиоприемников.Термин varactor также используется для устройств, которые ведут себя как встречные стабилитроны.

Электрические характеристики

(PD) Изображение: John R. Brews
Nonideal pn — вольт-амперные характеристики диода.

Идеальный диод имеет нулевое сопротивление для полярности прямого смещения и бесконечное сопротивление (проводит нулевой ток) для обратной полярности напряжения. Другими словами, полупроводниковый диод действует как электрический выпрямитель .

Полупроводниковый диод не идеален. Как показано на рисунке, диод не проводит заметную проводимость до тех пор, пока не будет достигнуто ненулевое напряжение изгиба (также называемое напряжением включения или напряжением включения ). Выше этого напряжения наклон кривой вольт-амперной характеристики не бесконечен (сопротивление в открытом состоянии не равно нулю). В обратном направлении диод проводит ненулевой ток утечки (преувеличенный меньшим масштабом на рисунке), и при достаточно большом обратном напряжении ниже напряжения пробоя ток увеличивается очень быстро с более отрицательными обратными напряжениями.

Как показано на рисунке, на и на сопротивлениях представляют собой обратные наклоны вольт-амперной характеристики в выбранной точке смещения:

, где r _D — сопротивление, а Δi _D — изменение тока, соответствующее изменению напряжения на диоде Δv _D при смещении v _D = V _BIAS .

Операция

Здесь рассматривается работа простого диода с переходом pn .Цель состоит в том, чтобы объяснить различные режимы смещения на рисунке. Работа описывается с использованием диаграмм изгиба зон, которые показывают, как наименьшая энергия зоны проводимости и наибольшая энергия валентной зоны изменяются в зависимости от положения внутри диода при различных условиях смещения. Дополнительное обсуждение см. В статье Полупроводник.

Нулевое смещение

(PD) Изображение: John R. Brews
Диаграмма изгиба полосы для pn -переходного диода при нулевом приложенном напряжении. Область истощения заштрихована.

На рисунке показана диаграмма изгиба полосы для диода pn ; то есть края зоны для зоны проводимости (верхняя линия) и валентной зоны (нижняя линия) показаны как функция положения по обе стороны от соединения между материалом типа p (левая сторона) и Материал типа n (правая сторона). Когда область типа p и область типа n одного и того же полупроводника сводятся вместе и два диодных контакта замкнуты накоротко, уровень половинной занятости Ферми (пунктирная горизонтальная прямая линия) находится на постоянном уровне. .Этот уровень обеспечивает правильное заполнение дырок и электронов в бесполевом объеме по обе стороны от перехода. (Так, например, электрону не обязательно покидать сторону n и переходить к стороне p через короткое замыкание, чтобы отрегулировать заселенность.)

Однако плоский уровень Ферми требует, чтобы полосы на стороне типа p двигались выше, чем соответствующие полосы на стороне типа n , образуя ступеньку или барьер на краях полосы, обозначенную φ _B .Этот шаг изменяет плотность электронов на стороне n- , чтобы стать фактором Больцмана exp (- φ _B / V _th ) меньшим на стороне p- , чтобы соответствовать нижнему электрону. плотность в р- обл. Здесь символ V _th обозначает тепловое напряжение , V _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов. Аналогичные соображения применимы к влиянию барьера на плотность дырок в области n-.Так получилось, что pn -произведение несущих плотностей:

в любом положении диода в состоянии равновесия. ^[1] Здесь p _B , n _B — плотности основного носителя на стороне p- и n- стороны.

В результате этого шага на краях зоны обедненная область рядом с переходом становится обедненной как дырками, так и электронами, образуя изолирующую область почти без подвижных зарядов.Однако существует фиксированных, неподвижных заряда, обусловленных легирующими ионами. Практически полное отсутствие подвижного заряда в обедненном слое означает, что присутствующих подвижных зарядов недостаточно для уравновешивания неподвижного заряда, вносимого ионами легирующей примеси: отрицательный заряд на стороне типа p из-за акцепторной примеси и как положительный заряд на сторона типа n за счет донорной легирующей примеси. Из-за этого заряда в этой области возникает электрическое поле, как определено уравнением Пуассона.Ширина области истощения регулируется таким образом, чтобы отрицательный заряд акцептора на стороне p точно уравновешивал положительный заряд донора на стороне n , поэтому электрическое поле за пределами области истощения с обеих сторон отсутствует.

В этой конфигурации полосы не подается напряжение и через диод не протекает ток. Чтобы пропустить ток через диод, необходимо применить прямое смещение , как описано ниже.

Прямое смещение

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Диаграмма изгиба полосы pn-диода при прямом смещении. Диффузия перемещает носителей через соединение. (PD) Изображение: Джон Р. Брюс
Квази-уровни Ферми и плотности носителей в прямом смещенном диоде pn-. На рисунке предполагается, что рекомбинация ограничена областями, где концентрация основных носителей заряда близка к объемным значениям, что не является точным, когда центры генерации рекомбинации в области поля играют роль.

При прямом смещении электроны инжектируются в материал p-, а дырки — в материал n-.Электроны в материале типа n называются основными носителями на этой стороне, но все, которые попадают на сторону типа p , называются неосновными носителями . Те же дескрипторы применимы к дыркам: они являются основными носителями на стороне типа p и неосновными носителями на стороне типа n .

Прямое смещение разделяет два объемных уровня половинной занятости по величине приложенного напряжения, что снижает разделение краев объемных зон типа p , чтобы они были ближе по энергии к таковым у типа n .Как показано на диаграмме, шаг по краям полосы уменьшается под действием приложенного напряжения до _B −v _D . (Диаграмма изгиба полосы сделана в единицах вольт, поэтому для преобразования v _D в энергию отсутствует заряд электрона.)

При прямом смещении диффузионный ток течет (то есть ток, обусловленный градиентом концентрации) дырок со стороны p на сторону n- и электронов в направлении, противоположном направлению . n — сторона p- сторона.Градиент, управляющий этим переносом, настраивается следующим образом: в объеме, удаленном от границы раздела, неосновные носители имеют очень низкую концентрацию по сравнению с основными носителями, например, электронная плотность на стороне p (где они являются неосновными носителями) является множителем exp (- φ _B / V _th ) ниже, чем на стороне n- (где они являются основными носителями). С другой стороны, вблизи интерфейса приложение напряжения v _D уменьшает шаг на краях полосы и увеличивает плотность неосновных носителей на коэффициент Больцмана exp ( v _D / V _th ) над основной массой. ценности.В переходе продукт pn- увеличивается выше равновесного значения до: ^[1]

Градиент, управляющий диффузией, в таком случае является разницей между большими плотностями избыточных неосновных носителей заряда на барьере и низкими плотностями в объеме, и этот градиент управляет диффузией неосновных носителей из границы раздела в объем. Количество введенных неосновных носителей уменьшается по мере их продвижения в объем с помощью механизмов рекомбинации , которые приводят избыточные концентрации к объемным значениям.

Рекомбинация может происходить при прямом столкновении с основным носителем, аннигилирующем оба носителя, или через центр генерации рекомбинации , дефект, который поочередно захватывает дырки и электроны, способствуя рекомбинации. Неосновные носители имеют ограниченный срок службы , и этот срок службы, в свою очередь, ограничивает то, как далеко они могут диффундировать со стороны основных носителей на сторону неосновных носителей, так называемая диффузионная длина . В светодиодах рекомбинация электронов и дырок сопровождается излучением света с длиной волны, связанной с энергетическим зазором между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому диод преобразует часть прямого тока в свет.

Линии половинной занятости дырок и электронов не могут оставаться плоскими по всему устройству, поскольку они находятся в равновесии, а становятся квазиуровнями Ферми , которые меняются в зависимости от положения. Как показано на рисунке, электронный квазиуровень Ферми смещается с положением от равновесного уровня Ферми с половинной заселенностью в объеме n- к равновесному уровню с половинной заселенностью для дырок глубоко в объеме p- . Дырочный квазиуровень Ферми делает обратное. Два квазиуровня Ферми не совпадают, за исключением глубины в объемных материалах.

На рисунке показано падение плотности основных носителей заряда от уровней плотности основных носителей n _B , p _B в соответствующих объемных материалах до уровня с коэффициентом exp (- ( φ _B — v _D ) / V _th ) меньше на вершине барьера, которое уменьшается от равновесного значения φ _B на величину прямого смещения диода v _D . Поскольку этот барьер расположен в материале с противоположным легированием, инжектированные носители в позиции барьера теперь являются неосновными носителями.По мере того, как происходит рекомбинация, плотности неосновных носителей падают с глубиной до их равновесных значений для объемных неосновных носителей, на коэффициент exp (- φ _B / V _th ) меньше, чем их объемная плотность n _B , p _B в качестве основных носителей перед инъекцией. В этот момент квазиуровни Ферми воссоединяются с положениями объемных уровней Ферми.

Уменьшенный шаг на краях зоны также означает, что при прямом смещении область обеднения сужается, поскольку в нее проталкиваются дырки со стороны p и электроны со стороны n .

В простом диоде pn прямой ток увеличивается экспоненциально с напряжением прямого смещения из-за экспоненциального увеличения плотности несущих, поэтому всегда присутствует некоторый ток даже при очень малых значениях приложенного напряжения. Однако, если кто-то интересуется некоторым конкретным уровнем тока, для достижения этого уровня тока потребуется «излом» напряжения. Например, очень распространенный выбор в текстах о схемах с кремниевыми диодами: V _Knee = 0.7 В. ^[2] Выше колена, конечно, ток продолжает расти экспоненциально. Некоторые специальные диоды, такие как некоторые варакторы, специально разработаны для поддержания низкого уровня тока до некоторого напряжения колена в прямом направлении.

Обратное смещение

(PD) Изображение: John R. Brews
Изгиб ленты для диода pn в обратном смещении (PD) Изображение: Джон Р. Брюс Квази-уровни Ферми
в диоде pn- с обратным смещением.

При обратном смещении уровень заполнения дырок снова имеет тенденцию оставаться на уровне объемного полупроводника типа p , в то время как уровень заполнения электронами соответствует уровню заполнения объемного полупроводника типа n-.В этом случае края объемных зон типа p приподняты относительно объема n за счет обратного смещения v _R , поэтому два уровня заполнения снова разделены энергией, определяемой величиной приложенное напряжение. Как показано на диаграмме, такое поведение означает, что шаг на краях зоны увеличивается до φ _B + v _R , а область обеднения расширяется по мере того, как дырки удаляются от нее на стороне p и электроны на стороне n .

Когда применяется обратное смещение, электрическое поле в обедненной области увеличивается, отталкивая электроны и дырки дальше друг от друга, чем в случае нулевого смещения. Таким образом, любой ток, который протекает, происходит из-за очень слабого процесса генерации носителей заряда внутри обедненной области из-за дефектов генерации-рекомбинации в этой области. Этот очень небольшой ток является источником тока утечки при обратном смещении. В фотодиоде обратный ток вводится за счет создания дырок и электронов в обедненной области падающим светом, тем самым преобразуя часть падающего света в электрический ток.

Когда обратное смещение становится очень большим, достигая напряжения пробоя, процесс генерации в области истощения ускоряется, что приводит к лавинообразному состоянию , которое может вызвать разгон и разрушить диод.

Диодный закон

Величина постоянного тока идеального диода pn- определяется уравнением диода Шокли: ^[3]

с v _D постоянным напряжением на диоде и I _R обратным током насыщения , током, протекающим при обратном смещении диода ( v _D большой и отрицательный).Символ V _th обозначает тепловое напряжение , V _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов.

Это уравнение не моделирует поведение, не связанное с сделкой, такое как избыточная обратная утечка или явление пробоя. Во многих практических диодах это уравнение должно быть изменено, чтобы читать:

, где коэффициент идеальности , n вводится для моделирования более медленной скорости увеличения, чем предсказывается законом идеальных диодов.Используя это уравнение, сопротивление диода на — составляет:

показывает меньшее сопротивление, чем выше ток.

Емкость

Слой обеднения между сторонами n — и p перехода pn служит в качестве изолирующей области, которая разделяет два диодных контакта. Таким образом, диод с обратным смещением имеет емкость обедненного слоя , иногда более расплывчато называемую емкостью перехода , аналогично конденсатору с параллельными пластинами с диэлектрической прокладкой между контактами.При обратном смещении ширина обедненного слоя увеличивается с увеличением обратного смещения v _R , и соответственно уменьшается емкость. Таким образом, переход служит конденсатором с регулируемым напряжением. В упрощенной одномерной модели емкость перехода равна:

с A площадь устройства, κ относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε ₀ электрическая постоянная и w ширина обеднения (толщина области, где плотность мобильных носителей пренебрежимо мала. ).

При прямом смещении, помимо указанной выше емкости обедненного слоя, происходит инжекция и диффузия заряда неосновных носителей. Имеется диффузионная емкость , выражающая изменение заряда неосновных носителей, которое происходит при изменении прямого смещения. С точки зрения накопленного заряда неосновных носителей ток диода i _D равен:

, где Q _D — это заряд, связанный с диффузией неосновных носителей, а τ _T — время прохождения , время, необходимое для прохождения неосновного заряда через область инжекции.Типичные значения времени прохождения составляют 0,1–100 нс. ^[4] На основании этого рассчитывается диффузионная емкость:

Вообще говоря, для обычных уровней тока при прямом смещении эта емкость намного превышает емкость обедненного слоя.

Переходный ответ

(PD) Изображение: John R. Brews
Схема слабого сигнала для диода pn-, управляемая токовым сигналом, представленным в виде источника Norton.

Диод — это в высшей степени нелинейное устройство, но для изменений слабого сигнала его отклик можно проанализировать с помощью схемы слабого сигнала на основе смещения постоянного тока, относительно которого, как предполагается, изменяется сигнал.Эквивалентная схема показана справа для диода, управляемого источником Norton. Используя текущий закон Кирхгофа в выходном узле:

с C _D диффузионная емкость диода, C _J емкость диодного перехода (емкость обедненного слоя) и r _D сопротивление диода, все при выбранном покоящемся смещении точка или Q-точка. Выходное напряжение, обеспечиваемое этой схемой, тогда:

с ( R _S || r _D ) параллельной комбинацией R _S и r _D .Этот усилитель сопротивления демонстрирует граничную частоту , обозначенную f _C :

и для частот f >> f _C усиление падает с частотой, поскольку конденсаторы замыкают резистор r _D . Если предположить, как и в случае включения диода, что C _D >> C _J и R _S >> r _D , найденные выше выражения для сопротивление и емкость диода обеспечивают:

, который связывает частоту излома со временем прохождения диода τ _T .

Для диодов, работающих с обратным смещением, C _D равно нулю, а термин угловая частота часто заменяется частотой среза . В любом случае, при обратном смещении сопротивление диода становится довольно большим, хотя и не бесконечным, как предполагает закон идеального диода, и предположение, что оно меньше, чем сопротивление Нортона драйвера, может быть неточным. Емкость перехода мала и зависит от обратного смещения v _R .Тогда частота среза равна:

и изменяется с обратным смещением, потому что ширина w (v _R ) изолирующей области, лишенной подвижных несущих, увеличивается с увеличением обратного смещения диода, уменьшая емкость. ^[5]

Банкноты

1. ↑ ^{1,0 1,1} Джон Спаркс (1994). Полупроводниковые приборы , 2-е изд. CRC Press, стр. 78. ISBN 0748773827.
2. ↑ Естественно, это напряжение зависит от выбранного уровня тока.Это напряжение для диода с переходом pn принимается по-разному: 0,7 В и 0,5 В; см. AS Sedra and KF Smith (1998). «Глава 3: Диоды», Микроэлектронные схемы , 4-е изд. Oxford University Press, стр. 134 и Рисунок 3.8. ISBN 0195116631..
3. ↑ Андрей Гребенников (2011). «§2.1.1: Диоды: принцип действия», Конструкция передатчика ВЧ и СВЧ . J Wiley & Sons, стр. 59. ISBN 047052099X.
4. ↑ Нарайн Арора (2007). Mosfet-моделирование для СБИС: теория и практика . World Scientific, стр. 539. ISBN 981256862X. Жан-Пьер Колиндж, Синтия А. Колиндж (2002). Физика полупроводниковых приборов , 2-е изд. Спрингер, стр. 149. ISBN 1402070187.
5. ↑ Варактор представляет собой диод pn-, работающий в режиме обратного смещения. См., Например, В.С. Багад (2009). «§5.8.1 Варакторный диод: принцип работы», Микроволновая и радиолокационная техника , 2-е изд.Технические публикации Пуна. ISBN 8184311214.

онлайн-курсов PDH. PDH для профессиональных инженеров. ПДХ Инжиниринг.

«Мне нравится широта ваших курсов по HVAC; не только экологичность или экономия энергии

курсов. «

Рассел Бейли, П.Е.

Нью-Йорк

«Он укрепил мои текущие знания и научил меня еще нескольким новым вещам

, чтобы познакомить меня с новыми источниками

информации.»

Стивен Дедак, P.E.

Нью-Джерси

«Материал был очень информативным и организованным. Я многому научился, и они были

.

очень быстро отвечает на вопросы.

Это было на высшем уровне. Будет использовать

снова . Спасибо. «

Blair Hayward, P.E.

Альберта, Канада

«Простой в использовании веб-сайт.Хорошо организовано. Я действительно буду снова пользоваться вашими услугами.

проеду по твоей компании

имя другим на работе «

Roy Pfleiderer, P.E.

Нью-Йорк

«Справочные материалы были превосходными, и курс был очень информативным, особенно с учетом того, что я думал, что я уже знаком

с деталями Канзас

Городская авария Хаятт.»

Майкл Морган, P.E.

Техас

«Мне очень нравится ваша бизнес-модель. Мне нравится просматривать текст перед покупкой. Я нашел класс

.

информативно и полезно

на моей работе »

Вильям Сенкевич, П.Е.

Флорида

«У вас большой выбор курсов, а статьи очень информативны.Вы

— лучшее, что я нашел ».

Russell Smith, P.E.

Пенсильвания

«Я считаю, что такой подход позволяет работающему инженеру легко зарабатывать PDH, давая время на просмотр

материал. «

Хесус Сьерра, П.Е.

Калифорния

«Спасибо, что разрешили мне просмотреть неправильные ответы.На самом деле

человек узнают больше

от отказов »

John Scondras, P.E.

Пенсильвания

«Курс составлен хорошо, и использование тематических исследований является эффективным.

способ обучения »

Джек Лундберг, P.E.

Висконсин

«Я очень впечатлен тем, как вы представляете курсы; i.е., позволяя

студент для ознакомления с курсом

материалов до оплаты и

получает викторину «

Арвин Свангер, П.Е.

Вирджиния

«Спасибо за то, что вы предложили все эти замечательные курсы. Я определенно выучил и

получил огромное удовольствие «.

Мехди Рахими, П.Е.

Нью-Йорк

«Я очень доволен предлагаемыми курсами, качеством материалов и простотой поиска.

в режиме онлайн

курсов.»

Уильям Валериоти, P.E.

Техас

«Этот материал в значительной степени оправдал мои ожидания. По курсу было легко следовать. Фотографии в основном обеспечивали хорошее наглядное представление о

обсуждаемых тем ».

Майкл Райан, P.E.

Пенсильвания

«Именно то, что я искал. Потребовался 1 балл по этике, и я нашел его здесь.»

Джеральд Нотт, П.Е.

Нью-Джерси

«Это был мой первый онлайн-опыт получения необходимых мне кредитов PDH. Это было

информативно, выгодно и экономично.

Я очень рекомендую

всем инженерам »

Джеймс Шурелл, П.Е.

Огайо

«Я понимаю, что вопросы относятся к« реальному миру »и имеют отношение к моей практике, и

не на основании какой-то неясной секции

законов, которые не применяются

— «нормальная» практика.»

Марк Каноник, П.Е.

Нью-Йорк

«Отличный опыт! Я многому научился, чтобы перенести его на свой медицинский прибор.

организация.

Иван Харлан, П.Е.

Теннесси

«Материалы курса имели хорошее содержание, не слишком математическое, с хорошим акцентом на практическое применение технологий».

Юджин Бойл, П.E.

Калифорния

«Это был очень приятный опыт. Тема была интересной и хорошо изложенной,

а онлайн-формат был очень

доступный и простой

использовать. Большое спасибо ».

Патрисия Адамс, P.E.

Канзас

«Отличный способ добиться соответствия требованиям PE Continuing Education в рамках ограничений по времени лицензиата.»

Джозеф Фриссора, P.E.

Нью-Джерси

«Должен признаться, я действительно многому научился. Помогает иметь распечатанный тест во время

Обзор текстового материала. Я

также оценил просмотр

фактических случаев «

Жаклин Брукс, П.Е.

Флорида

«Документ» Общие ошибки ADA при проектировании объектов «очень полезен.

испытание потребовало исследований в

документ но ответов было

в наличии »

Гарольд Катлер, П.Е.

Массачусетс

«Я эффективно использовал свое время. Спасибо за широкий выбор вариантов.

в транспортной инженерии, что мне нужно

для выполнения требований

Сертификат ВОМ.»

Джозеф Гилрой, П.Е.

Иллинойс

«Очень удобный и доступный способ заработать CEU для моих требований PG в Делавэре».

Ричард Роудс, P.E.

Мэриленд

«Я многому научился с защитным заземлением. До сих пор все курсы, которые я прошел, были отличными.

Надеюсь увидеть больше 40%

курсов со скидкой.»

Кристина Николас, П.Е.

Нью-Йорк

«Только что сдал экзамен по радиологическим стандартам и с нетерпением жду возможности сдать еще

курсов. Процесс прост, и

намного эффективнее, чем

в пути «.

Деннис Мейер, P.E.

Айдахо

«Услуги, предоставляемые CEDengineering, очень полезны для профессионалов

Инженеры получат блоки PDH

в любое время.Очень удобно ».

Пол Абелла, P.E.

Аризона

«Пока все отлично! Поскольку я постоянно работаю матерью двоих детей, у меня мало

время исследовать где на

получить мои кредиты от. «

Кристен Фаррелл, П.Е.

Висконсин

«Это было очень познавательно и познавательно.Легко для понимания с иллюстрациями

и графики; определенно делает это

проще поглотить все

теорий. «

Виктор Окампо, P.Eng.

Альберта, Канада

«Хороший обзор принципов работы с полупроводниками. Мне понравилось пройти курс по

.

мой собственный темп во время моего утром

метро

на работу.»

Клиффорд Гринблатт, П.Е.

Мэриленд

«Просто найти интересные курсы, скачать документы и сдать

викторина. Я бы очень рекомендовал

вам на любой PE, требующий

CE единиц. «

Марк Хардкасл, П.Е.

Миссури

«Очень хороший выбор тем из многих областей техники.»

Randall Dreiling, P.E.

Миссури

«Я заново узнал то, что забыл. Я также рад оказать финансовую помощь

по ваш промо-адрес электронной почты который

сниженная цена

на 40% «

Конрадо Казем, П.E.

Теннесси

«Отличный курс по разумной цене. Воспользуюсь вашими услугами в будущем».

Charles Fleischer, P.E.

Нью-Йорк

«Это был хороший тест и фактически подтвердил, что я прочитал профессиональную этику

кодов и Нью-Мексико

правил. «

Брун Гильберт, П.E.

Калифорния

«Мне очень понравились занятия. Они стоили потраченного времени и усилий».

Дэвид Рейнольдс, P.E.

Канзас

«Очень доволен качеством тестовых документов. Буду использовать CEDengineerng

при необходимости дополнительных

сертификация. «

Томас Каппеллин, П.E.

Иллинойс

«У меня истек срок действия курса, но вы все же выполнили свое обязательство и дали

мне то, за что я заплатил — много

оценено! «

Джефф Ханслик, P.E.

Оклахома

«CEDengineering предлагает удобные, экономичные и актуальные курсы.

для инженера »

Майк Зайдл, П.E.

Небраска

«Курс был по разумной цене, а материалы были краткими, а

хорошо организовано. «

Glen Schwartz, P.E.

Нью-Джерси

«Вопросы подходили для уроков, а материал урока —

.

хороший справочный материал

для деревянного дизайна.

Брайан Адамс, П.E.

Миннесота

«Отлично, я смог получить полезные рекомендации по простому телефонному звонку.»

Роберт Велнер, P.E.

Нью-Йорк

«У меня был большой опыт работы в прибрежном строительстве — проектирование

Building курс и

очень рекомендую .»

Денис Солано, P.E.

Флорида

«Очень понятный, хорошо организованный веб-сайт. Материалы курса этики Нью-Джерси были очень хорошими.

хорошо подготовлено. «

Юджин Брэкбилл, P.E.

Коннектикут

«Очень хороший опыт. Мне нравится возможность загружать учебные материалы на

.

обзор везде и

всякий раз, когда.»

Тим Чиддикс, P.E.

Колорадо

«Отлично! Поддерживаю широкий выбор тем на выбор».

Уильям Бараттино, P.E.

Вирджиния

«Процесс прямой, без всякой ерунды. Хороший опыт».

Тайрон Бааш, П.E.

Иллинойс

«Вопросы на экзамене были зондирующими и продемонстрировали понимание

материала. Полная

и комплексное »

Майкл Тобин, P.E.

Аризона

«Это мой второй курс, и мне понравилось то, что мне предложили курс

поможет по моей линии

работ.»

Рики Хефлин, P.E.

Оклахома

«Очень быстро и легко ориентироваться. Я определенно буду использовать этот сайт снова».

Анджела Уотсон, P.E.

Монтана

«Легко выполнить. Никакой путаницы при прохождении теста или записи сертификата».

Кеннет Пейдж, П.E.

Мэриленд

«Это был отличный источник информации о солнечном нагреве воды. Информативный

и отличное освежение ».

Луан Мане, П.Е.

Conneticut

«Мне нравится подход к регистрации и возможность читать материалы в автономном режиме, а затем

Вернись, чтобы пройти викторину «

Алекс Млсна, П.E.

Индиана

«Я оценил объем информации, предоставленной для класса. Я знаю

это вся информация, которую я могу

использовать в реальных жизненных ситуациях »

Натали Дерингер, P.E.

Южная Дакота

«Обзорные материалы и образец теста были достаточно подробными, чтобы я мог сделать

успешно завершено

курс.»

Ира Бродская, П.Е.

Нью-Джерси

«Веб-сайт прост в использовании, вы можете скачать материалы для изучения, а затем вернуться

и пройдите викторину. Очень

удобно а на моем

собственный график «

Майкл Гладд, P.E.

Грузия

«Спасибо за хорошие курсы на протяжении многих лет.»

Деннис Фундзак, П.Е.

Огайо

«Очень легко зарегистрироваться, получить доступ к курсу, пройти тест и распечатать PDH

Сертификат . Спасибо за создание

процесс простой ».

Фред Шейбе, P.E.

Висконсин

«Опыт положительный.Нашел курс, который соответствовал моим потребностям быстро и закончил

один час PDH в

один час. «

Стив Торкильдсон, P.E.

Южная Каролина

«Мне понравилось загружать документы для проверки содержания

и пригодность, до

имея для оплаты

материал .»

Ричард Вимеленберг, P.E.

Мэриленд

«Это хорошее напоминание об ЭЭ для инженеров, не являющихся электротехниками».

Дуглас Стаффорд, П.Е.

Техас

«Всегда есть возможности для улучшения, но я ничего не могу придумать в вашем

.

процесс, требующий

улучшение.»

Thomas Stalcup, P.E.

Арканзас

«Мне очень нравится удобство участия в викторине онлайн и получение сразу

сертификат. «

Марлен Делани, П.Е.

Иллинойс

«Учебные модули CEDengineering — это очень удобный способ доступа к информации по

много различных технических зон за пределами

по своей специализации без

надо ехать.