Полупроводниковые диоды

Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости (р — дырочной и п — электронной) обладает выпрямляющими свойствами: она гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом. Полярность напряжения, соответствующая большим токам, называется прямой, а меньшим — обратной. Обычно пользуются терминами прямое и обратное напряжение, прямой и обратный ток. Поверхность, по которой контактируют р - и n -слои, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов — электронно-дырочным переходом.

Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами (коэффициент плавности перехода m = 0,5, в EWB имеет обозначение М) называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся дырки, а по другую — электроны. Такие переходы наиболее просты для анализа, поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно, рассматривать как ступенчатые.

Плавными переходами (m = 0,333) называют такие, у которых в области металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа — растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству концентраций примесей. Все реальные p—n -переходы — плавные, степень их приближения к ступенчатым зависит от градиента эффективной концентрации в районе металлургической границы.

По соотношению концентраций примесей в р - и n -слоях переходы делятся на симметричные, несимметричные и односторонние. Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники. Основное распространение имеют несимметричные переходы, у которых концентрации не одинаковы. В случае резкой асимметрии, когда концентрации примесей (а значит, и основных носителей) различаются на один-два порядка и более, переходы называют односторонними.

Кроме одиночных диодов, в библиотеке EWB имеется также диодный мостик, для которого можно дополнительно задать коэффициент эмиссии N (Emission Coefficient).

Светодиод — специально сконструированный диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области перехода сквозь прозрачное окно в корпусе.

При прохождении через диод тока в прилегающих к переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов — электронов и дырок. Часть освобождающейся энергии выделяется в виде квантов света. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника излучение может иметь длину волны либо в области видимого света, либо невидимого инфракрасного излучения. Излучение переходов на основе арсенида галлия имеет длину волны около 0,8 мкм. Переходы из карбида кремния или фосфида галлия излучают видимый свет в диапазоне от красного до голубого цвета. Важнейшими параметрами светодиода являются яркость, измеряемая в нитах при определенном значении прямого тока, и цвет свечения (или спектральный состав излучения).

Для светодиода дополнительно указывается минимальный ток в прямом направлении Turn-on current (Ion), при превышении которого светодиод зажигается. Для измерения ВАХ светодиодов можно использовать приведенные выше схемы.

Переключающие диоды с p — n — p — n - или n — p — n — p -структурами — это тиристоры. Тиристоры, имеющие выводы от крайних электродов, называют динисторами, а приборы с третьим выводом (от одного из средних электродов) — тринисторами. Кроме того, к классу тиристоров относятся симисторы — симметричные динисторы (диаки), симметричные тринисторы (триаки) и достаточно редкий тип динистора — диод Шокли, в котором структура p— n— p— n организована за счет наличия в р— n -переходе ловушек, формируемых путем легирования. На рис. 9 приведены обозначения переключающих диодов, модели которых имеются в программе EWB: (слева направо) диод Шокли, симметричный динистор (диак, двунаправленный динистор), тринистор (триодный тиристор) и симметричный тринистор (триак, симмистор).

Рис. 9. Переключающие диоды

Риc. 10. Схема для исследования тиристоров

Исследование прямой ветви ВАХ тринистора можно проводить с использованием схемы (рис. 10), на которой показаны источники входного напряжения Ui и напряжения управления Uy с защитными резисторами Rzt, Rzy. Измерение ВАХ проводится при изменении Ui от нуля до Udrm + 50 В при фиксированном значении Uy, например, в трех точках 0,5Vd, Vd и l,5Vd. При исследовании обратной ветви ВАХ меняется только полярность Ui.