Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Полупроводниковые диоды

Пермский государственный технический университет

Реферат по теме

Полупроводниковые диоды.

Выполнил студент ********

************************

Проверил

Пермь

Содержание:

Введение

Электроника - это область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования.

Микроэлектроника - это раздел электроники, охватывающий исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов - интегральных микросхем - и принципов их применения.

Развитие электроники

Как самостоятельная область науки и техники электроника начала развиваться на границе XIX и XX вв., после открытия термоэлектронной эмиссии (1883 г.), фотоэлектронной эмиссии (1888 г.), разработки вакуумного диода (1903 г.) и вакуумного триода (1904 г.).

На становление и дальнейшее развитие электроники решающее влияние оказало изобретение радио (1885 г.). Вначале электроника развивалась только как радиоэлектроника, обслуживающая нужды радиотехники. Совершенствовались радиолампы. Большую роль в развитии электроники сыграла радиолокация в годы второй мировой войны.

Нерадиотехническое применение электроники долгое время развивалось под сильным влиянием радиоэлектроники, из которой заимствовались основные элементы, схемы и методы. Однако дальнейшее развитие нерадиотехнических применений электроники пошло по самостоятельному пути, прежде всего в области ядерных исследований (с 1943 г.), вычислительной техники (с 1949 г.) и массовой автоматизации производственных процессов. Особенно важным этапом в развитии электроники является послевоенный период.

Типичной конструкцией электронного устройства в конце войны было металлическое шасси с закрепленными на нем различными элементами. Основным электронным прибором была электронная лампа. Электронные устройства такой конструкции потребляли много энергии, выделяя много тепла, имели большой вес и габариты.

Средняя плотность монтажа была чрезвычайно низкой - до 0,01 элемента/см³. Развитие авиации и ракетостроения особенно остро поставило задачу значительного уменьшения габаритов и веса, снижения потребляемой мощности, уменьшения стоимости. Применение малогабаритных ламп и печатного монтажа увеличило среднюю плотность монтажа до 0,1 эл/см³. Сделать монтаж более компактным с электронными лампами было невозможно, из-за трудности отвода выделяемого тепла. Нужны были принципиально новые элементы и принципы конструирования. Такими новыми элементами явились полупроводниковые приборы, которые открыли новые широкие возможности в конструировании аппаратуры.

Полупроводниковые приборы начали развиваться бурными темпами. Транзистор был изобретен в 1948 г. в США. В 1955 г. в мире выпускалось 350 типов транзисторов, а в 1963 г. - уже 3000 типов. В 1956 г. только в США изготовлялось 14 млн. транзисторов в год, а в 1961 г. в Японии - 200 млн. транзисторов в год.

В нашей стране огромный вклад в развитие теории полупроводниковых приборов внесла школа академика А.Ф. Иоффе.

Полупроводниковые приборы не требуют подогрева, потребляют очень мало энергии, имеют малые габариты и вес.

В данном реферате рассматриваются диоды – одни из наиболее простых полупроводниковых приборов. Приводятся примерная классификация и их основные технические характеристики.

Плоскостной выпрямительный диод

Плоскостные диоды имеют плоский р-п переход с достаточно большой площадью перехода. Величиной площади перехода определяется максимальный прямой ток, который для разных диодов находится в пределах от десятков миллиампер до сотен ампер.

Обратные напряжения плоскостных диодов могут достигать тысячи вольт и выше. В настоящее время используется несколько методов изготовления р-п переходов. Наиболее распространены сплавной и диффузионный методы.

Выпрямительные диоды - это самые распространенные, самые обыкновенные плоскостные диоды. Кроме выпрямительных устройств они широко используются в самых разнообразных схемах, рабочие частоты которых невелики. В последнее время выпрямительные и силовые диоды, как правило, изготовляются из кремния. Электрические параметры и методы их определения, обусловленные особенностями работы диодов в цепях переменного тока, несколько отличаются от рассмотренных выше. Параметры выпрямительных и силовых диодов определяются из классификационной вольт-амперной характеристики, прямая ветвь которой представляет зависимость среднего значения прямого тока от среднего значения прямого напряжения в режиме однополупериодного выпрямления (при этом на диод подаются только положительные полусинусоиды напряжения).

Обратная ветвь классификационной характеристики представляет зависимость среднего значения обратного тона от амплитудного значения обратного напряжения (на диод при этом подаются только отрицательные полусинусоиды напряжения). Параметры выпрямительных и силовых диодов определяются также координатами точек классификационной вольт-амперной характеристики. На прямой ветви (точка А ) определены:

1. I_ан - номинальный средний прямой ток. Это длительно допустимый ток, при котором диод не нагревается выше допустимой температуры. Для германиевых диодов плотность прямого тока достигает 0,5 А/мм², для кремниевых - 1 А/мм².

Рис.1

2. DU_ан - номинальное среднее значение прямого напряжения при токе I_ан. По величине DU_ан силовые диоды делятся на группы.

На обратной ветви (точка В) определены:

1. U_обр.н- номинальное обратное напряжение. Это максимальное допустимое напряжение любой формы, при котором не происходит пробой р-п перехода. По величине U_обр.н силовые диоды делятся на классы. Класс обозначается числом, получаемым от деления U_обр.н на 100. Для силовых диодов m = 0,5.

2. I_обр.ср - среднее значение обратного тока - это среднее за период значение обратного тока при номинальном обратном напряжении.

Кроме этих параметров для выпрямительных диодов, особенно для мощных силовых диодов, важное значение имеют также параметры:

P_{расс.доп}- допустимая мощность рассеяния в диоде, при которой p-n переход не нагревается выше допустимой температуры;

- тепловое сопротивление участка переход - среда, это сопротивление растеканию тепла, выделяемого в переходе.

Параметры выпрямительных диодов

Тип диода

I_ан,

U_обр.н,

DU_ан,

I_обр.ср,

Охлаждение

Д226

Д247

КД 202В

В-200, В2-200

ВКД-200

0,3

200

400

500

600

100-1000

(до 2500)

< 1

< 1,25

< 1

< 0,6

< 0,03

< 3

< 1

0,15

Естественное

-²-

Воздушное

Принудительное с радиатором

Кремниевый стабилитрон

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, у которых в области пробоя (на обратной ветви) напряжение на диоде почти не изменяется при изменении тока пробоя в широких пределах. Это обусловлено тем, что имеет место только электрический пробой. Тепловой пробой на рабочем участке характеристики исключен. Стабилитроны выполняются из кремния сплавным (реже диффузионным) методом. Вольт-амперная характеристика и условное обозначение стабилитрона приведены на рис.2. Прямая ветвь - обычная. Рабочей является обратная ветвь в области пробоя. В пределах I_ст.min – I_ст.max напряжение пробоя является напряжением стабилизации U_стаб. Стабилитроны используются для стабилизации постоянного напряжения и для ограничения напряжения (постоянного и переменного), а также в качестве источников эталонного напряжения и др.

Рис.2

Параметры стабилитронов определяются на рабочем участке характеристики. Основными параметрами являются:

U_cт - номинальное напряжение стабилизации;

I_ст - номинальный ток стабилизации;

I_ст._min – минимальный ток стабилизации (при токах, меньших I_ст._min, резко ухудшаются свойства стабилитрона);

I_ст._min - максимальный ток стабилизации, при котором гарантируется заданная надежность при длительной работе (I_ст._min определяется допустимой мощностью рассеяния P_расс._max );

R_д - дифференциальное сопротивление на рабочем участке, определяемое отношением приращения напряжения стабилизации DU_ст к вызвавшему его приращению тока стабилитрона DI_ст (при заданном токе стабилитрона):

, (4.9)

ТКС - температурный коэффициент напряжения стабилизации, определяемый относительным (процентным) изменением напряжения стабилизации к изменении температуры окружающей среды:

Если напряжение не превышает 5,7 В, ТКС отрицателен. При этом преобладает туннельный механизм пробоя. При больших напряжениях (U_ст > 5,7 В) доминирует лавинный механизм и ТКС становится положительным /2,3/.

Параметры стабилитронов

Тип

Приборов

U_ст,

I_ст,

мА

Ом

ТКН,

I_ст.min ,

I_ст.max ,

мА

P_расс.max,

мВт

КС147А

Д808

КС980А

4,1-5,2

7,0-8,5

153-207

330

-0,08

+0,07

+0,2

3-58

1-33

2,5-28

300

280

5000

Туннельный диод

Основой туннельного диода также является р-n переход, однако среди других ТД занимает особое место. Его действие в рабочем диапазона основано на туннельном механизме протекания тока, а не на диффузионном, как у других диодов. В туннельном диоде р-п переход образован между двумя вырожденными областями р- и п-типа (т.е. с очень высокой концентрацией доноров и акцепторов – 10¹⁹ см^-3 и больше). Уровень Ферми вырожденных полупроводников находится внутри разрешенной зоны. Потенциальный барьер такого перехода близок к максимальному, а ширина р-п перехода мала - 0,01-0,02 мкм. Внутреннее электрическое поле перехода достигает критической величины E_кр>10⁵ В/см, при которой резко возрастает вероятность туннельного эффекта. При этом электроны могут переходить из одной области в другую, не преодолевая потенциального барьера, а просачиваясь сквозь него (туннелировать) благодаря волновым свойствам электрона. В вольт-амперной характеристике туннельного диода (рис.3) имеется область, обусловленная туннельным механизмом протекания тока - вся обратная ветвь и прямая ветвь до точки 2. В этой области при малых смещениях (прямом и обратном) токи резко возрастают. Затем на прямой ветви достигается максимальное (пиковое) значение I_n, после которого прямой ток падает (из-за уменьшения напряженности E и уменьшения туннельного потока носителей).

Рис. 3

В точке 2 (называемой впадиной) туннельный эффект практически исчезает и преобладающим становится диффузионный механизм протекания тока, вольт-амперная характеристика после точки 2 совпадает с прямой ветвью ВАХ обычного диода. Рабочей является часть прямой ветви в пределах 0¸U₃. Участок характеристики U_п - U_в с отрицательным сопротивлением - важнейшая особенность туннельного диода. Туннельные диоды обладают высоким быстродействием (могут работать в СВЧ диапазоне), могут использоваться в широком диапазоне температур (германиевые – до +200 °С, арсенидгаллиевые - до +400 °С). В устройствах автоматики туннельные диоды применяются как быстродействующие переключающие элементы.

Параметры туннельных диодов

Тип

Диода

Материал

Пиковый ток I₁,

мА

I_B,

МА

U₁,

МВ

U₂,

U_з,

ГИ 304А

ГИ 305А

АИ 301Г

GaAs

4,8

9,6

0,3

0,5

1,0

< 75

< 85

180

0,25¸0,35

0,25¸0,350,4¸0,5

> 0,44

> 0,45

> 0,8

Точечный диод

Точечные диоды имеют р-п переход в виде полусферы с очень малой площадью перехода (рис.4). Технология их изготовления сравнительно проста. Жесткая заостренная игла из сплава вольфрама с молибденом прижимается к базовой пластинке германия (или кремния) п-типа, помещается в корпус и герметизируется. После сборки и герметизации производится электроформовка - пропускание через прижимной контакт импульсов тока с большой амплитудой. Под действием этих импульсов под острием иглы образуется p-область (с очень малыми размерами) и р-п переход на границе с исходным полупроводником п-типа. Точечные диоды изготовляются на сравнительно небольшие токи и обратные напряжения, но зато они дешевы и рабочие частоты их высоки.

Некоторые параметры точечных диодов

Тип прибора

I_пр, А

U_пр, В

U_обр, В

I_обр, мА

Д7А

Д7Ж

Д246А

Д1008

0,3

0,05

0,5

1,0

400

10000

0,1

3,0

Импульсный диод

Импульсные диоды предназначены для работы в цепях с очень быстрым (импульсным) изменением тока по величине и по направлению. При быстром изменении напряжения (тока) на диоде ток (напряжение) через диод в соответствии со статической характеристикой (3.9) устанавливается не сразу, а через некоторое время, обусловленное инерционностью диода. Инерционность диода связана с конечной скоростью установления концентрации неравновесных носителей при внешнем смещении р-n перехода. Поэтому для импульсных диодов наряду с параметрами, определенными из статической вольт-амперной характеристики, вводят еще ряд параметров, характеризующих инерционность диода. Основные из них:

1. t_восст - время восстановления обратного сопротивления при переключении из прямого направления в обратное в момент t₁ (рис.5). В начальный момент после переключения U_a обратный ток намного больше установившегося (3.8) из-за высокой неравновесной концентрации неосновных носителей, оставшихся от прямого смещения. В течение t_восст концентрация неосновных носителей уменьшается, а обратный ток достигает заданного значения (несколько большего, чем из (3.8), как показано на рис.5).

Рис. 5

Рис.6

2. t_уст - время установления прямого сопротивления диода при переключении из обратного направления в прямое в момент t₁ (рис.6). В начальный момент включения прямого тока величина прямого напряжения (сопротивления) на p-n переходе больше, чем это следует из (3.7), так как концентрация инжектированных (неосновных) носителей еще мала. В течение t_уст концентрация инжектированных носителей достигает величины, близкой к установившейся, а прямое напряжение (сопротивление) уменьшается до 1,1 U_np , соответствующего статической вольт-амперной характеристике (3.7). Этот процесс еще характеризуют максимальным импульсным прямым напряжением U_{np.имп.max}.

3. С_д - емкость диода при заданном смещении. Часто С_д измеряется при U_обр= 5 В.

Импульсные диоды выполняются точечными и плоскостными с малой площадью перехода.

Параметры импульсных диодов

Тип

диода

I_пр,

мА

U_пр

U_пр.имп

U_обр

I_обр,

мкА

t_восст,

мкс

t_уст,

мкс

(U_обр=5В),

пФ

Д18

Д219А

КД503А

5,0

2,5

<0,1

0,5

0,01

<0,08

0,5

По величине t_вост импульсные диоды подразделяются на:

скоростные, или микросекундные 1мкс< t_вост <0,1мс

сверхскоростные, или наносекундные t_вост<0,1мкс

Варикапы

Варикапы – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимости барьерной емкости С_бар р-п перехода от обратного напряжения. Для большинства реальных р-п переходов зависимость С_бар(U_обр) можно представить в виде

С_бар(U_обр)=A^·S(U_обр +j₀)^-n пФ,

где A – постоянный коэффициент для данного перехода; S – площадь перехода, мм² ; U_обр – обратное напряжение, В; 1/2 ³ n ³ 1/3, j₀»0,8 В.

Например, для сплавных переходов A=128, n=1/2:

Варикапы широко применяются в радиотехнических устройствах для электронной (дистанционной) перестройки колебательных контуров в диапазонах в диапазонах радиоволн – коротковолновом (КВ), ультракоротковолновом (УКВ) и дециметровом (ДЦВ). По сути варикап это полупроводниковый управляемый напряжением конденсатор. Он заменяет в радиоустройствах конденсаторы переменной емкости довольно внушительных габаритов. Особенно эффективно применение варикапов в микроэлектронных радиоустройствах.

Параметры варикапов.

C_н – номинальная емкость, измеренная между выводами при небольшом обратном напряжении U_обр =2¸5 В. Для большинства варикапов C_н @ 10¸500 пФ.

K_c – коэффициент перекрытия по емкости, равный отношению C_бар _max / C_бар _min » 5¸20.

C_бар _max = C_бар (U_{обр
min}), C_бар _min = C_бар (U_{обр
max}).

Q – добротность, определяемая отношением реактивного сопротивления варикапа X_c к полному сопротивлению потерь r_s при заданном обратном напряжении на заданной частоте

Q = X_c/r_s » 20¸500.

На высокой частоте X_c=1/w ·C_бар и Q_в =1/ r_s ·w ·C_бар

Диоды Шоттки

В последнее время достаточно широко в электронных приборах, особенно в микросхемах, используется барьер Шоттки, являющийся основой диода Шоттки (ДШ). Барьер Шоттки образуется в переходе металл – полупроводник. Возможны металло-дырочный или металло-электронный переходы. По свойствам ДШ аналогичен рассмотренным ранее диодам с электронно-дырочным переходом, но отличается от них параметрами. Переход металл – полупроводник часто называют «контакт металл – полупроводник».

Для изготовления ДШ в качестве основы используют низкоомный кремний n-типа (n⁺) с тонким слоем (плёнкой) высокоомного кремния того же типа (n). На поверхность высокоомной плёнки кремния (n-Si) наносят металлический электрод из золота методом напыления в вакууме. На границе плёнки золота и высокоомной плёнки n-Si образуется выпрямляющий контакт (переход).

A Переход h_os

высокоомная

n пленка Si-n

n⁺

основание Si-n⁺

Рис.7.

Прямое напряжение на ДШ меньше на 0,2-0,3 В, чем на кремниевом p-n переходе. Прямое напряжение не превышает 0,4 В. Это важное свойство ДШ позволяет существенно повысить быстродействие ключевых элементов в цифровой импульсной технике применением «ключей Шоттки».

Кроме сверхскоростных и сверхвысокочастотных диодов на базе барьера Шоттки можно создавать и мощные высокочастотные выпрямительные ДШ. Созданы ДШ, работающие на частоте 1 МГц при U_обр≥50 В и I_пр≥10 А.

ВАХ:

U_a

Рис.8.

Список литературы

1)Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник/А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под ред.А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1988.

-528с.: ил.

2)Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник/А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под ред.А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1988.-592 с.: ил.

3)Основы микроэлектроники: Учеб. Пособие для вузов /И.П. Степаненко.- 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003.- 488 с.:ил.

4)Физические основы микроэлектроники. Курс лекций / И.И. Бобров, Г.В. Кропачев; Пермский государственный технический университет. Пермь, 2000. 130 c.

Полупроводниковые диоды 📙 Реферат → 🆔 201786