Лекция 3. Специальные типы полупроводниковых диодов

Разновидности полупроводниковых диодов. К специальным полупроводнико­вым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства р-п- переходов. управляемая полупроводниковая емкость — варикапы и варакторы, зенеровский и лавинный прибой — стабилитроны, туннельный эффект — туннель­ные и обращенные диоды, фотоэффект — фотодиоды, фотонная рекомбинация 0носителей зарядов — светодиоды; многослойные диоды — динисторы. Кроме того, к диодам^ относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие, как тиристоры и двухбазовые диоды.

Варикапы — это полупроводниковые диоды, в которых используется барьер­ная емкость ^-«-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратно­го напряжения и с увеличением его уменьшается. Добротность барьерной емкости варикапа может быть достаточно высокой, так как она шунтируется достаточно высоким сопротивлением диода при обратном смещении.

Схематическое изображение варикапа приведено на рис. 3.1 а, а его вольт-фарадная характеристика — на рис. 3.1 б. Условное обозначение варикапа со­держит из пять элементов. Первый элемент обозначает материал, из которого изготовлен варикап (К — кремний). Второй элемент обозначает принадлежность диода к подклассу варикапов (В — варикап). Третий элемент — цифра, определя­ющая назначение варикапа (1 — для подстроечных варикапов, 2 — для умножи-тельных варикапов). Четвертый элемент — это порядковый номер разработки. И наконец, пятый элемент — соответствует разбраковке по параметрам. Так, например, на рис. 3.1 б приведена характеристика варикапа КВ117А.

Теоретическое значение емкости варикапа можно определить по формуле

 

где Со — начальная емкость варикапа при С/д=0,!7д — напряжение на варикапе, \Ук — контакная разность потенциалов.

Основными параметрами варикапа являются: его начальная емкость Со, до­бротность Ос, коэффициент перекрытия по емкости Кс. Добротность варикапа определяется отношением реактивной мощности варикапа б к мощности Р:

 

Рис. 3.1. Схематическое изображение варикапа (а) и зависимость емкости варикапа от обратного напряжения (б)

· В дальнейшем все диоды (т. е. двухэлектродные приборы с п-р-переходом) обозначаются КД или О, как на рис. 3.1.

Коэффициент перекрытия по емкости определяется как отношение макси­мальной емкости С„ах варикапа к его минимальной емкости С^т

 

Кроме этого, часто указывают температурный коэффициент емкости варика­па ас = АС/А Т и предельную частоту/пред, при которой добротность варикапа сни­жается до 6=1. Добротность варикапа увеличивается с увеличением обратного напряжения и с уменьшением рабочей частоты. Графики зависимости добротнос­ти варикапа КВ117А от частоты и обратного напряжения приведены на рис. 3.2.

Эквивалентная схема варикапа приведена на рис. 3.3, где Се — барьерная емкость, /?щ — сопротивление перехода и шунтирующих его утечек, обусловленных

·

конструкцией варикапа, К„ — сопротивление материала полупроводника,

^-и-области и контакта. Полное сопротивление варикапа определяется вы­ражением

 

Добротность варикапа в области низких частот в соответствии с (3.4) можно определить по формуле

 

из которой следует, что она растет с ростом частоты.

На высоких частотах при выполнении условия й)Сб/?щЗ>1 сопротивлением 7?„ можно пренебречь и тогда добротность варикапа зависит от частоты по формуле

 

т. е. она уменьшается с ростом частоты.

Отсюда следует, что добротность варикапа имеет максимум, который со­ответствует частоте

 

при этом максимальную добротность можно найти по формуле

 

На рис. 3.3 б приведены зависимости добротности б ^от частоты для варика-пов, изготовленных из кремния и арсенида галлия. Из графиков видно, что для варикапов из арсенида галлия оптимальная частота составляет ~ 1 кГц, в то время как для кремниевых варикапов она почти достигает 1 МГц.

Варикапы находят применение в различных электронных схемах: модулято­рах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настрой­кой, параметрических усилителях и генераторах и др. На рис. 3.4 показана схема резонансного контура с

л. - -

электронной перестройкой при помощи постоянного напряжения {/„. Напряже­ние перестройки подается в среднюю точку двух встречно последовательно включенных варикапов УВ\ и УВ1 через дополни­тельный резистор /?д. Такое включение варикапов по­зволяет увеличить крутиз­ну перестройки и устраняет

необходимость применения разделительного конденсатора. Специально для таких схем промышленностью выпускаются сдвоенные варикапы типов КВС111 или КВС120.

Стабилитроны — это полупроводниковые диоды, работающие в режиме ла­винного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой р-п-пврехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопро­тивление. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неогра­ниченно долго. На рис. 3.5 а показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 3.5 б приведены их вольт-амперные характеристики.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 3.5 о штриховой линией показано перемещение вольт-амперных характерис­тик при увеличении температуры. Очевидно, что повышение температуры увели­чивает напряжение лавинного пробоя при 17^>5В и уменьшает его при 17^<5В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5 В имеют по­ложительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при и^т'^5 В — отрицательный. При [/ст=6...5В ТКН близок к нулю.

 

Рис 3 б Схема включения стабилитрона (а) и стабистора (б)

Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряже­ние на диоде. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют стабисто-рами. В области прямого смещения ^-«-перехода напряжение на нем имеет значе­ние 0,7..2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют ста­билизировать только малые напряжения (не более 2В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление. В отли­чие от стабилитронов при увеличении температуры напряжение на стабисторе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отрицательный ТКН Схема включения стабилитрона приведена на рис. 3.6 я, а стабистора — на рис. 366

Приведенный выше характер температурной зависимости напряжения ста­билитронов обусловлен различным видом пробоя в них. В широких переходах при напряженности поля в них до 5-Ю⁴ В/см имеет место лавинный пробой. Такой пробой при напряжении на переходе > 6 В имеет положительный темпера­турный коэффициент

В узких переходах при большой напряженности электрического поля (более 1,4-10^) наблюдается пробой, который называется зенеровским. Такой пробой имеет место при низком напряжении на переходе (менее 5В) и характеризуется отрицательным температурным коэффициентом При напряжении на переходе от

5 до 6 В одновременно существуют оба вида пробоя, поэтому температурный коэффициент близок к нулю. График зависимости температурного коэф­фициента ТКНсл от напряжения стаби­лизации Ц-г приведен на рис. 3.7

Основными параметрами стаби­литронов являются:

• напряжение стабилизации {/с,,

• температурный коэффициент напря­жения стабилизации ТКНсг,

• допустимый ток через стабилитрон

*СТ Д011»

 

Рис. 3.8. Линеаризованная характеристика стабилитрона (а) и его схема замещения (б)

Кроме того, для импульсных стабилитронов нормируется время включения стабилитрона /„„л. а Для двухсторонних стабилитронов нормируется несимметрич­ность напряжений стабилизации Аи^=и^-и^-

Дифференциалы'юе сопротивление стабилитрона — это параметр, который характеризует наклон вольт-амперной характеристики в области пробоя. На рис. 3.8 а приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью кото­рой можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения, приведенную на рис. 3.8 б.

Используя приведенную на рис. 3.8 б схему замещения, можно рассчитать простейший стабилизатор напряжения, изображенный на рис. 3.9 а. Заменяя стабилитрон его схемой замещения, получим расчетную схему, изображенную на рис. 3.9 б. Лля этой схемы можно написать систему уравнений

 

В результате решения системы уравнений (3.9) получим напряжение на выхо­де стабилизатора

 

где 1н=и^/К» — ток нагрузки.

Подставив значение /„> получим окончательно

 

Из выражения (3.11) следует, что выходное напряжение стабилизатора зави­сит от напряжения на входе стабилизатора С/,х, сопротивлений нагрузки Ки и ог раничения тока /?,, а также параметров стабилитрона и^ и;•„.

Условное обозначение стабилитрона включает: материал полупроводнике (К — кремний); обозначение подкласса стабилитронов (букву С); цифру, указы. вающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжении:

стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса Например, стабилитрон КС168А соответствует маломощному стабилитрону (то1 менее 0,3 А) с напряжением стабилизации 6,8 В, в металлическом корпусе.

Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ог. раничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов 01 повышения напряжения на них.

Туннельные диоды. Туннельный эффект заключается в туннельном прохожде­нии тока через р-и-переход. При этом ток начинает проходить через переход прк напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов. Достигает­ся туннельный эффект созданием очень тонкого обедненного слоя, который в тун­нельном диоде достигает 0,01 мкм. При таком тонком обедненном слое в нем даже при напряжении 0,6... 0,7 В напряженность поля достигает (5...'1)-\0'^Ысм.. При этом через такой узкий ^-и-переход протекает значительный ток

Этот ток проходит в обоих направлениях, только в области прямого смеще­ния ток вначале растет, а достигнув значения /пщ при напряжении и\, затем до­вольно резко убывает до /тш при напряжении и-г. Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении {/д число таких элек­тронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает.

При дальнейшем повышении напряжения выше </г прохождение прямого тока такое же, как у обычного диода, и определяется диффузией.

Ввиду очень малой толщины слоя ^-п-перехода время перехода через него очень мало (до 10 "-10 '''с), поэтому туннельный диод — практически безынерци­онный прибор. В обычных же диодах электроны проходят через переход благода­ря диффузии, т. е. очень медленно. Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 3.10 а, а его схематическое изображение — на рис. 3.10 б.

На вольт-амперной характеристике туннельного диода можно выделить три основных участка: начальный участок роста тока от точки 0 до /щах. участок спа­да тока от /щах до./тш ^и участок дальнейшего роста тока от /дат. Очевидно, что спадающий участок, на котором положительному приращению напряжения Д(/>0 соответствует отрицательное приращение тока Д/, имеет отрицательное сопротив­ление (или отрицательную проводимость -С)

Схема замещения туннельного диода в выбранной рабочей точке на участке отрицательного сопротивления для малого сигнала имеет вид, приведенный на рис. 3.10 в. На этой схеме С — общая емкость диода в точке минимума вольт-

Чй

Рис 3 10 Вольт-амперная характеристика туннельного диода (а), его схематическое изображение (б), и схема замещения (в)

амперной характеристики, -0 — отрицательная проводимость на падающем уча­стке, /•„ — последовательное сопротивление потерь, Ь — индуктивность выводов.

Схема генератора на туннельном диоде приведена на рис. 3 11 а. В этой схеме туннельный триод ТД включается последовательно с нагрузкой и источником постоянного напряжения Е. Для возникновения колебаний в этой схеме необходи­мо выполнить два условия. Первое условие состоит в том, чтобы напряжение источника Е обеспечивало нахождение рабочей точки ТД на участке отрицатель­ного сопротивления (падающем участке). Второе условие заключается в том, что­бы отрицательное сопротивление ТД было больше положительного сопротивле­ния нагрузки Ки (т е. 1/6'>7?н).

На рис 3.11 б показано, как нужно выбирать напряжение источника питания Е при заданном сопротивлении нагрузки 7?н. На осях вольт-амперной характеристи­ки ТД откладываются две точки. На оси напряжения откладывается напряжение источника питания Е, что соотвествует напряжению на диоде при закороченной нагрузке /?„, а на оси тока откладывается ток Е/Кя, что соответствует закорочен-ному ТД Эти две точки соединяются прямой линией, которая называется на­грузочной Пересечение линии нагрузки 7?н с вольт-амперной характеристикой ТД соответствует их одинаковому току (что необходимо при последовательном их соединении) и определяет положение рабочей точки.

Как видно из рис. 3.11 б, рабочая точка на падающем участке может быть обеспечена двумя способами проведения нагрузочной линии. Нагрузочная линия 1, проведенная через точки Е\ и Е^/К^, пересекает вольт-амперную характе­ристику ТД в трех точках А, В и С. Очевидно, что при подключении питания к схеме первой будет рабочая точка А, в которой сопротивление ТД положительное и, следовательно, генерации не будет.

Рис 3 11 Схема генератора на туннельном диоде (а), и определение условий возникновения колебании (б)

Нагрузочная линия 2, проведенная между точками Е^ и E^/R^, пересекает вольт-амперную характеристику ТД только в одной точке В Такой выбор напря­жения питания еч и нагрузки R^ обеспечивает возможность возникновения коле­баний в схеме Для определения допустимого сопротивления нагрузки найдем отрицательное сопротивление ТД Для этого определим полное сопротивление ТД, пользуясь его схемой замещения (рис 3 10 в)

 

Полное активное сопротивление в схеме рис. 3 11 а будет иметь значение

 

Если это сопротивление удовлетворяет условию Ra<0, то колебания в схеме возможны Критическая частота возникновения колебаний определяется при усло­вии, что R»=0, и имеет значение

 

т. е полностью определяется только параметрами ТД

Для определения частоты собственных колебаний необходимо приравнять к нулю мнимую часть полного сопротивления (3 13)

 

v

Решая уравнение (3.15) относительно резонансной частоты, найдем частоту колебаний в схеме рис. 3.11 а

Для существования колебаний в генераторе по схеме рис. 3.11 а необходимо выполнение условия

 

Для того чтобы колебания не содержали гармоники, необходимо, чтобы их амплитуда не превышала 0,lt/o. Поэтому в генераторах на ТД амплитуда колеба­ний обычно составляет примерно 10.20 мВ. Максимальная амплитуда колеба­ний равна и^-и^ЮОмВ. Рабочая частота генератора на ТД обычно превышает 1ГГц.

Обращенный диод является вырожденным туннельным диодом. Подбором концентрации примесей таким образом, чтобы границы зон не перекрывались, а совпадали при отсутствии внешнего смещения на переходе, можно получить обычную диодную характеристику в области положительных напряжений При этом участок отрицательного сопротивления будет отсутствовать. Вольт-ампер­ная характеристика обращенного диода приведена на рис. 3 12 а, а его условное, обозначение — на рис. 3.12 б.

Обращенные диоды применяются для выпрямления на сверхвысоких частотах очень малых напряжений. Однако при использовании обращенного диода необхо­димо поменять местами анод и катод, так как меняются местами области выпрям­ления Это и обусловило название диода — обращенный.

Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым ^-и-переходом Свето­вой поток, падающий на открытый р-п-перехор. приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате чего увели­чивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой

 

где /ф==5',Ф — фототек, S,— интегральная чувствительность, Ф — световой поток Вольт-амперные характеристики ФД приведены на рис. 3 1 а, а его схематич­ное изображение — на рис. 3136.

Ьез включения нагрузки фото­диод может работать в двух режи­мах 1) короткого замыкания и 2) холостого хода. В режиме корот­кого замыкания напряжение на дио­де равно нулю, и ток в диоде равен фототоку, т е /=-/ф=-5,Ф Таким образом, в режиме короткого за­мыкания соблюдается прямая про­порциональность между током в диоде и световым потоком. Такая пропорциональность достаточно хо­рошо соблюдается в пределах 6-7 порядков

 

Рис. 3.13 Вольт-амперная характеристика фотодиода (а), его схема жчсское изображение (б)

хода t/xx, отмеченное на рис. 3.13 я, лежит на горизонтальной оси. Для определе­ния этого напряжения можно прологарифмировать выражение (3.18), откуда на­ходим

 

Таким образом, при /=0 область Р заряжается положительно, а область N— отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется раз­ность потенциалов, называемая фото-эдс. Фото-эдс равна напряжению £/„x и не может превышать контактной разности потенциалов уд-. Для кремниевых фотоди­одов напряжения £/„<0,7B.

Для режима холостого хода характерна логарифмическая зависимость выход­ного напряжения от освещенности, причем выходное напряжение не превышает некоторого определенного значения при любой освещенности.

Реализовать режим короткого замыкания фотодиода можно только с помо­щью операционного усилителя (см. Лекцию 8), а практическая реализация режима холостого хода вообще затруднительна. В этом случае можно говорить о работе фотодиода на некоторую нагрузку. Схема включения фотодиода на нагрузку при­ведена на рис. 3.14 а, а нагрузочная характеристика — на рис. 3.146.

Для построения нагрузочной прямой можно воспользоваться методикой, при­веденной при анализе режима туннельного диода (рис. 3.11 б). Для этого на гори­зонтальной оси нужно отложить напряжение источника Е, а на вертикальной оси — ток короткого замыкания E/R^. Прямая, соединяющая эти точки, и являет­ся нагрузочной прямой. Пересечение нагрузочной прямой с вольт-амперными ха­рактеристиками фотодиода позволяет определить напряжение на нагрузке R». Для этого нужно из точек пересечения восстановить перепендикуляры до пересечения с горизонтальной осью. Эти точки пересечения и дают значение напряжения на нагрузке.

Из приведенного на рис. 3.146 построения следует, что при отсутствии осве­щения напряжение на фотодиоде будет максимальным С^гемн- При увеличении осве­щения ток в фотодиоде возрастает, а напряжение на нем падает. Напряжение на

Рис. 3.14. Схема включения фотодиода с нагрузкой (а), построение нагрузочной характеристики (б) и график напряжения на нагрузке (в)

нагрузке определяется как разность напряжения источника питания и напряжения на фотодиоде

 

График зависимости ^=/(0) приведен на рис. 3.14в.

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения. Ос­новными характеристиками фотодиодов являются: диапазон длин волн принима­емого излучения, интегральная чувствительность S„ темновой ток /, постоянная времени т. Большинство фотодиодов работает в широком диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения 4Л.=0,4...2мкм. Интегральная чув­ствительность зависит от площади р-п-перехода. и может изменяться в пределах 10^{3... 1 мкА/пюкс. Темновой ток обычно невелик и имеет значение 10 2.. 1 мкА.}

Обозначение фотодиодов состоит из букв ФД и порядкового номера разра­ботки. Например, фотодиод ФД24К имеет интегральную чувствительность 0,5мкА/лк и темновой ток 1 мкА. В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним и интегрированным вместе с фотоприемником.

· Светоцзлучающие диоды (СИД) преобразуют электрическую энергию в свето­вое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, т. е. без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной. В СИД преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот Для изменения длины волны излучения можно менять материал, из которого изготовлен светодиод, или изменять ток. На рис. 3.15 а показано схематическое изображение светодиода, а на рис. 3.15 б приведены спектральные характеристи­ки излучения.

Рис. 315. Условное схематическое изображение светодиода (а) и спектральные характеристики излучения (б)

Для изготовления светодиодов наиболее часто используют фосфид галлия или арсенид галлия. Для диодов видимого излучения часто используют фосфид-арсе-нид галлия. Из отдельных светодиодов собирают блоки и матрицы, которые по­зволяют высвечивать изображения букв и цифр.

Инжекциотши лазер — это диод с монохроматическим излучением. Когерен­тное монохроматическое излучение обеспечивается стимулированной фотонной рекомбинацией, которая возникает при инжекции носителей заряда при опреде­ленном токе. Минимальный ток, при котором преобладает стимулированная фотонная рекомбинация, называется пороговым. При увеличении тока выше по­рогового значения происходит ухудшение монохроматического излучения.

\