Разновидности диодов

Рассмотренные свойства p-n перехода позволяют создавать на основе подобных пп структур различные виды диодов для микроэлектронной схемотехники. Рассмотрим основные из них.

Диоды общего назначения. Это наиболее распространенный вид диодов. Их особенностями являются работа в ограниченных токовом и частотном диапазонах. Такие ограничения определяются, во-первых, ограниченной плотностью тока через p-n переход j = I/ s за счет ограниченной площади перехода s, во-вторых, значениями диффузионной и барьерной емкостей С_д = It/j_т, С_Б = (1/L₀) ee₀ s (U_k/U)^1/2, выражения для которых содержат переменные I и s. Из последних выражений следует, что для расширения частотного диапазона диодов необходимо уменьшать значения С_Б, С_д за счет сокращения величин I, s. Поэтому высокочастотные диоды обладают ограниченным токовым диапазоном. Наоборот, мощные (силовые или выпрямительные) диоды должны обладать расширенным токовым диапазоном при ограниченной плотности тока через p-n переход j = I/ s. Такое ограничение достигается за счет увеличения площади перехода s. Увеличение I, s означает увеличение параметров С_Б, С_д и, соответственно, сокращение частотного диапазона. Поэтому силовые диоды обладают ограниченным частотным диапазоном. Таким образом в диодах общего назначения, в зависимости от специфики их применения, реализуются компромиссные решения между токовым и частотным диапазонами.

Контакты «металл – полупроводник». Электрофизические свойства таких переходов определяются соотношением уровней Ферми металла j _F(м) и пп определенного типа проводимости j _F(n) илиj _F(р). В металлах отсутствует запрещенная зона, поэтому уровень Ферми находится в зоне проводимости, но в зависимости от вида металла имеет различные значения. Поэтому соотношения уровней Ферми металла и пп могут быть различными. Такие соотношения и следующие из них свойства переходов «металл – пп» определяются правилом: если при условной замене металла полупроводником в переходе соотношение уровней Ферми оказывается аналогичным соотношению этих уровней в классическом p-n переходе, то такой контакт «металл – пп» обладает выпрямляющими свойствами p-n перехода; при обратном соотношении уровней Ферми контакт «металл – полупроводник» обладает омическими свойствами, т. е. имеет линейную ВАХ как при прямом, так и при обратном смещении, иначе говоря – ведет себя как полупроводниковый резистор с малым сопротивлением (подробнее – см. литературу). Например, если в переходе «металл – пп n-типа» (условная замена переходом «р-n») выполняется соотношение j _F(n) ñ j _F(м) , аналогичное соотношению для классического p-n перехода, то такой контакт является выпрямляющим с соответствующей ВАХ (см. Рис.1). Отличительной особенностью таких переходов является отсутствие неосновных носителей заряда в базе, что приводит к увеличению их частотного диапазона за счет сокращения времени переходных процессов. Такие переходы лежат в основе высокочастотных диодов Шоттки. Если в переходе «металл – пп n-типа» выполняется противоположное соотношение уровней Ферми j _F(n) á j _F(м) , то такой контакт является омическим. Омические переходы используются в качестве контактов между пп элементами и их внешними металлическими выводами в элементах микроэлектроники.

Стабилитроны или опорные диоды. Работа стабилитронов основана на эффекте лавинного (обратимого) пробоя p-n перехода, проявляющегося на обратной ветви ВАХ (Рис.1).Особенностью этого эффекта является значительное изменение обратного тока через переход при практически постоянном напряжении пробоя U_кр. Поэтому такие приборы используются в микроэлектронике качествестабилизаторов напряжения. Величина U_кр , т. е. напряжение стабилизации, может варьироваться в пределах от единиц до десятков вольт за счет изменения степени легирования областей p-n перехода на стадии производства.

Варикапы (управляемые переменные емкости). Работа варикапов основана на эффекте барьерной емкости обратно смещенного p-n перехода

С_Б = (1/L₀) ee₀ s (U_k/U)^1/2. Управление величиной С_Б осуществляется за счет изменения обратного напряжения U. В отличие от диффузионной емкости, шунтируемой малым сопротивлением прямо смещенного p-n перехода, барьерная емкость практически свободна от шунтирования за счет значительного обратного сопротивления p-n перехода. Варикапы находят применение в RC и RLC контурах, требующих определенной настройки с электронным управлением, например на заданную частоту.

Фотодиоды. Работа фотодиодов основана на эффекте фотогенерации избыточных свободных носителей заряда (дополнительных к термогенерационным носителям) при воздействии на p-n переход фотонов (светового потока). В качестве рабочей характеристики используется обратная ветвь ВАХ p-n перехода, т. е. обратный ток, который может в процессе фотогенерации увеличиваться на несколько порядков. Выбор обратного тока не случаен. Его чувствительность к избыточным носителям заряда во много раз выше чувствительности прямого тока (см. теорию p-n перехода). Фотодиоды используются в качестве фотодатчиков в оптоэлектронике.

Светодиоды. Работа светодиодов основана на эффекте излучательной рекомбинации или люминесценции (см. раздел 3) p-n перехода. Отличительной особенностью данного эффекта для p-n переходов является способ активации рекомбинационных процессов – инжекция при прямом смещении p-n перехода (инжекционная люминесценция). Светодиоды используются в качестве индикаторов и светогенераторов в оптоэлектронике. Необходимая цветовая гамма при этом обеспечивается выполнением обязательных условий излучательной рекомбинации, т. е. строгое выполнение равенств h g = j_z q или l =2pch/j_z q для собственных пп, где h – постоянная Планка; g - минимальная частота света; l - максимальная длина волны света; c – скорость света. Аналогичные соотношения можно записать для примесных пп с заменой ширины запрещенной зоны j_z = (j_s – j_v) на соответствующие разности (j_s - j_d) для донорных пп и (j_a - j_v) для акцепторных пп. Очевидно, что выполнение таких условий и обеспечение необходимой цветовой гаммы в соответствии с требуемыми значениями g или l требует подбора пп материалов с соответствующими энергетическими характеристиками [j_z = (j_s – j_v) для собственных пп, (j_s - j_d) для донорных пп и (j_a - j_v) для акцепторных пп] и строгого соблюдения производственных технологий.

Очевидно, что конструктивные особенности фотодиодов и светодиодов включают светопрозрачные корпуса или такие элементы корпусов.

Оптроны. Оптроны представляют пару «светодиод – фотодиод» в общем, изолированном от внешних источников света корпусе. Они используются в качестве элементов оптической передачи информации в оптоэлектронике. Очевидно, что специфических физических особенностей, кроме рассмотренных выше, такие пары не имеют.

В заключение раздела необходимо отметить, что конструктивные, технологические, схемотехнические особенности элементов микроэлектроники, а также физические основы оптоэлектроники составляют содержание самостоятельных дисциплин, поэтому здесь подробно не рассматриваются.

Дата добавления: 2015-07-25