Материал: Физические основы электроники

Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет около 75 °C.

Существенной особенностью германиевых диодов и их недостатком является то, что они плохо выдерживают даже очень кратковременные импульсные перегрузки при обратном смещении p–n-перехода. Определяется это механизмом пробоя – тепловым пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.

Перечисленные особенности кремниевых и германиевых выпрямительных диодов связаны с различием ширины запрещенной зоны исходных полупроводников. Из такого сопоставления видно, что выпрямительные диоды с большей шириной запрещенной зоны обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. Одним из таких представителей является арсенид галлия.

В настоящее время выпускаемые промышленностью арсенидгаллиевые выпрямительные диоды еще далеки от оптимально возможных. Например, диод типа АД112А имеет максимально допустимый прямой ток 300 мА при прямом напряжении 3 В. Большая величина прямого напряжения является недостатком всех выпрямительных диодов, p–n-переходы которых сформированы в материале с широкой запрещенной зоной. Максимально допустимое обратное напряжение для данного диода – 50 В.

Это объясняется, вероятнее всего, тем, что в области p–n-перехода имеется большая концентрация дефектов из-за несовершенства технологии.

Достоинствами арсенид-галлиевых выпрямительных диодов являются большой диапазон рабочих температур и лучшие частотные свойства. Верхний предел рабочих температур для диодов АД112А составляет 250 °С. Арсенид-галлиевые диоды АД110А могут работать в выпрямителях малой мощности до частоты 1 МГц, что обеспечивается малым временем жизни носителей заряда в этом материале.

Выводы

1.С повышением температуры обратный ток у германиевых выпрямительных диодов резко возрастает за счет роста теплового тока.

2.У кремниевых диодов тепловой ток очень мал, и поэтому они могут работать при более высоких температурах и с меньшим обратным током, чем германиевые диоды.

3.Кремниевые диоды могут работать при значительно бόльших обратных напряжениях, чем германиевые диоды. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение у кремниевых диодов

56

увеличивается с повышением температуры до максимального значения, в то время как у германиевых диодов – резко падает.

4.Вследствие указанных преимуществ в настоящее время выпрямительные диоды в основном изготавливают на основе кремния.

2.3. Импульсные диоды

Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.

Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунды, при этом важную роль играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т. е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами.

Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рис. 2.11). Точечный диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой проволоки и стеклянного баллона. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения на диоде.

Рис. 2.11. Конструкция импульсного диода:

1 – кристалл полупроводника; 2 – кристаллодержатель; 3 – припой; 4 – контактная пружина; 5 – стеклянный корпус;

6 – коваровая трубка; 7 – внешние выводы

В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых методах формирования p–n-переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания). Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда – арсенид галлия.

57

Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводят примесь золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетических уровней рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.

В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянный или металлический корпус с ленточными выводами.

Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Переходные процессы в импульсном диоде

При прямом напряжении на участке 0 t1 происходит инжекция

носителей из эмиттерной области в базовую и их накопление там. При смене полярности напряжения на обратную в первый момент величина обратного тока будет значительна, а обратное сопротивление диода резко уменьшится, т. к. накопленные в базе неосновные носители под действием изменившегося направления напряженности электрического поля начнут двигаться в сторону p–n-перехода, образуя импульс обратного тока. По мере перехода в эмиттерную область их количество уменьшится, и через некоторое время обратный ток достигнет нормального уста-

58

новившегося значения, а сопротивление диода в обратном направлении восстановится до нормальной величины.

Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение которого обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося, называется временем вос-

становления обратного сопротивления tвос обр . Время восстановления

обратного сопротивления – один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем оно меньше, тем диод лучше. Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам p–n-переход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной емкости перехода Cбар.

Выводы

1.Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.

2.Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое.

3.Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов, является время восстановления обратного сопротивления.

4.Для уменьшения tвос обр используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

5.Требованиям, предъявляемым к импульсным диодам, хорошо удовлетворяют диоды на основе барьера Шоттки, которые имеют

очень малую инерционность благодаря отсутствию инжекции и накопления неосновных носителей заряда в базе.

2.4. Туннельные диоды

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике (при прямом напряжении) участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей (1018…1020 cм–3),

вследствие чего получается малая толщина p–n-перехода (около 10 2 мкм), что на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах, и сквозь тонкий потенциальный барьер возможно туннелирование свободных носителей заряда.

На рис. 2.13 представлена вольт-амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении.

59

Параметрами туннельных диодов являются (рис. 2.14, а):

1) пиковый ток Iп – значение прямого тока в точке максимума вольт-

амперной характеристики;

2) ток впадины Iв – значение прямого тока в точке минимума вольтамперной характеристики;

4)напряжение пика U п – значение прямого напряжения, соответствующее пиковому току;

5)напряжение впадины Uв – значение прямого напряжения, соответствующее току впадины;

6)напряжение раствора Uрр – значение прямого напряжения на второй восходящей ветви, при котором ток равен пиковому току.

Iпр, мА

2,0

1,6 б

1,2

0,8

0,4

0 0,1 0,2 0,3 0,4 Uпр, В

Рис. 2.13. Туннельный диод 1И104:

а– вольт-амперная характеристика при прямом смещении;

б– конструктивное исполнение;

в– условное графическое изображение туннельных диодов

Работа туннельного диода иллюстрируется диаграммами, изображенными на рис. 2.14. На рисунке буквами а, б, в, г, д, е, ж обозначены точки, соотвествующие энергетическим диаграммам, характеризующим процессы в p–n-переходе.

60