Конструкции и простейшие способы изготовления полупроводниковых диодов

Для получения простейшего точечного диода берут пластинку металла с прикреплённым к ней выводом и к ней приваривают кристалл полупроводника электронного типа проводимости. Этот кристалл называют базой диода.

Затем берут металлическую иглу с присоединённым к ней выводом, изготавливаемую, например, из вольфрама, золота, бериллиевой бронзы, на которую нанесён легирующий материал, и её острый кончик упирают в кристалл базы диода так, чтобы игла была подпружинена. В качестве легирующего материала часто используют алюминий и индий. Все части будущего диода помещены в корпус, который, например, может быть маленьким стеклянным баллоном, из которого откачан воздух. Далее осуществляют формовку, то есть местное нагревание участка между иглой и полупроводниковой пластиной для того, чтобы на небольшой площади их материалы друг в друга диффундировали. Для этого через диод в прямом и обратном направлениях пропускают короткие импульсы с силой тока около 1 А, что во много раз превышает максимальный постоянный ток изготавливаемого точечного диода. Материал акцепторной примеси, который находился на игле, и тот, из которого она состояла, диффундируют на небольшой почти полусферический участок в базу диода, образуя переход. Точечные диоды благодаря небольшой площади электронно-дырочного перехода обычно обладают малой ёмкостью, а, следовательно, могут работать на высокой частоте, не теряя свойства односторонней проводимости. Однако малая площадь перехода не позволяет пропускать через точечный диод большие прямые токи без разрушения компонента.

Для изготовления плоскостного диода берут базу диода электронного типа проводимости и кладут на неё полупроводниковую пластину, которая позже станет играть роль акцепторной примеси. Затем их нагревают примерно до 450 °C … 550 °C в вакууме, отчего материал акцепторной примеси диффундирует в базу будущего диода. Полученный электронно-дырочный переход будет обладать большой площадью и существенной ёмкостью. Благодаря тому, что площадь плоскостного диода велика, через него можно пропускать весьма большой ток в прямом включении, однако наибольшая частота, на которой такой диод может сохранять работоспособность, будет низкой.

В заключение нужно отметить, что существуют и многие другие конструкции, а также способы изготовления диодов.

Разновидности диодов

Выпрямительные диоды

Выпрямительным называют диод, который предназначен для получения однополярного пульсирующего напряжения путём выпрямления переменного напряжения. Полученное пульсирующее напряжение сглаживают, например, конденсатором, в итоге получая постоянное напряжение. Выпрямительные диоды изготавливают по технологии получения плоскостных диодов в связи с тем, что их обычно используют на низких частотах, а прямой ток через электронно-дырочный переход зачастую составляет многие амперы.

Импульсные диоды

Импульсными называют диоды, предназначенные для пропускания в прямом включении очень коротких импульсов, длительностью менее микросекунды, с большой амплитудой тока. При столь коротких импульсах основное влияние на работу диода будут оказывать барьерная ёмкость и длительность обратного восстановления, обусловленная скоростью рекомбинации носителей заряда.

Варикапы

При обратном включении диода возрастает ширина потенциального барьера, отчего барьерная ёмкость снижается. Варикапом называют полупроводниковый диод, спроектированный так, чтобы была высока его добротность, а барьерная ёмкость была стабильна при флюктуациях частоты и температуры. Чем больше постоянное обратное напряжение, приложенное к варикапу, тем меньше его барьерная ёмкость. Важнейшая характеристика варикапов – вольт - фарадная – отражает зависимость барьерных ёмкостей варикапов от обратных напряжений. Наличие такой зависимости позволяет использовать варикапы в колебательных контурах в качестве перестраиваемой ёмкости.

Стабилитроны и стабисторы

Полупроводниковыми стабилитронами называют плоскостные диоды, которые применяют для поддержания на неизменном уровне обратного постоянного напряжения, приложенного к запертому стабилитрону. При изучении пробоев электронно-дырочных переходов было отмечено, что при зенеровском и лавинном пробоях падающие на диодах обратные напряжения почти постоянны в широких диапазонах обратных токов.

Вольтамперная характеристика стабилитрона в области прямого включения не имеет отличий от других диодов, а в области обратного включения лежит участок, на котором при значительном изменении обратного тока практически постоянно обратное напряжение. Это отражено на рисунке 27, на котором изображена вольтамперная характеристика типового стабилитрона.

Рисунок 27 – Обозначение и вольт – амперная характеристика стабилитрона

Стабилитроны применяют для ограничения импульсов, с целью поддержания опорного напряжения на постоянном уровне в параметрических стабилизаторах, для защиты цепей от превышения напряжения и прочих целей.

Рисунок 28 – Внешний вид стабилитронов и схема включения

Стабисторами называют диоды, которые применяют для поддержания на неизменном уровне прямого постоянного напряжения в прямом включении. Обычно в качестве полупроводника для изготовления стабисторов применяют селен. Стабисторы используют для стабилизации постоянного напряжения, величиной от долей до нескольких вольт.

Светодиоды

Светодиодом называют такой полупроводниковый компонент, в котором рекомбинацию носителей зарядов сопровождает испускание квантов некогерентного света. При протекании тока через светодиод в прямом включении электроны преодолевают электронно-дырочный переход и рекомбинируют, переходя на более низкие энергетические уровни и испуская кванты света. Для изготовления светодиодов пригодны далеко не всякие полупроводники, а такие как арсенид галлия, фосфид индия и прочие. Подходящие полупроводники имеют отличаются достаточно широкой запрещённой зоной, ее шириной определяется длина излучаемой волны света (частота излучаемых фотонов).

Рисунок 29 – Устройство и внешний вид обычного светодиода

К наиболее важным характеристикам светодиодов относят спектральную и яркостную характеристики. Спектральная характеристика – зависимость вырабатываемой мощности светового потока от длины волны. А яркостная характеристика – это зависимость мощности светового потока от силы тока, протекающего по светодиоду в прямом включении.

Светодиоды используют для индикации состояния аппаратуры, а мощные светодиоды применяют для освещения.

Полупроводниковые лазеры

Лазером в широком смысле называют квантовый генератор монохроматического излучения оптического диапазона волн. Рабочее тело лазеров может быть выполнено:

· из газа (на основе азота, аргона, гелия и неона, криптона, ксенона и прочего),

· на красителях (кумарине, родамине, гексацианине 3, крезиле фиолетовом и других),

· твердотельным (лазером, использующим александрит или титан-сапфир, рубиновым и прочим),

· на полупроводниках (лазеры с квантовыми ямами, лазеры с гетероструктурой на основе арсенида галлия, с раздельным удержанием и другие),

Основой лазерного диода выступает специально подготовленный электронно-дырочный переход плоскостной конструкции, полученный в полупроводнике электронного типа проводимости, например, из арсенида галлия. Кристалл полупроводника обычно имеет размеры по длине, ширине и высоте менее 500 × 400 × 100 мкм. Упрощённая конструкция лазерного диода без соблюдения пропорций показана на рисунке 30.

Рисунок 30 – Конструкция полупроводникового лазера и внешний вид

Лазерные диоды нашли широкое применение в спектрографах, лазерных прицелах и дальномерах, их применяют в лазерных принтерах и в медицинских приборах для исследования сетчатки. Лазерные диоды входят неотъемлемой частью системы считывания, стирания и записи информации на лазерных дисках.

Фотодиоды

Фотодиодом называют фотогальванический приёмник с электронно-дырочным переходом, облучение которого светом вызывает увеличение силы обратного тока. Материалом полупроводника фотодиода обычно выступает кремний, сернистое серебро, сернистый таллий или арсенид галлия. Фотодиод устроен так же, как обычный плоскостной диод, а отличие состоит в прозрачном окне, которое организовано в корпусе фотодиода напротив областей электронного либо дырочного типов проводимостей в полупроводниковом кристалле. Таким образом, через это окно свет попадает внутрь фотодиода и облучает одну из областей электронно-дырочного перехода. Фотодиоды могут быть использованы в одном из двух включений: вентильном или фотодиодном.

Рисунок 31 – Принцип работы, обозначение и внешний вид фотодиодов

Рассмотрим фотодиодное включение компонента. Последовательно с фотодиодом включим нагрузочный резистор и источник питания, подсоединённый плюсом к катоду фотодиода, а минусом к аноду. Пока облучение окна отсутствует, через фотодиод протекает маленький обратный ток Ф₀, который называют темновым током, силой от единиц до нескольких десятков микроампер. Это отражено на вольтамперной характеристике фотодиода, показанной на рисунке 32.

Рисунок 32 – Вольт – амперная характеристика фотодиода

Облучим кристалл слабым световым потоком, к спектру которого будет чувствителен фотодиод, отчего возникнет генерация электронов и дырок, и обратный ток станет больше (Ф₁ > Ф₀). Ток, протекающий через нагрузочный резистор, возрастёт. Если световой поток станет ещё значительнее, то соответственно возрастёт и обратный ток фотодиода (Ф₂ > Ф₁). Пропускаемый по нагрузочному резистору ток станет ещё существенней. Очевидно, что сила тока, протекающего по резистору, и падение постоянного напряжения на нём зависят от величины светового потока.

В вентильном включении внешний источник питания не используют, а к выводам фотодиода подсоединяют нагрузочный резистор. Под действием светового потока возникает фотогенерация носителей заряда и фото-ЭДС, на выводах фотодиода появляется постоянное напряжение. Это напряжение подводят к нагрузочному резистору, через который течёт электрический ток.

Рисунок 33 – Вентильное включение фотодиода

Фотодиоды обладают продолжительным сроком наработки на отказ, высокой чувствительностью к регистрируемому излучению, обладают малыми массой и габаритами.

Эффекты полупроводников

Эффект Ганна

Эффект Ганна, на принципе которого строят диоды Ганна, был открыт в 1963 году американцем Джоном Ганном. Диод Ганна не обладает электронно-дырочным переходом, а состоит из пластины электронного типа проводимости, выполненной из фосфида индия, арсенида галлия, антимонида галлия и др., к противоположным граням которой подсоединены электроды. Толщина полупроводниковой пластинки составляет от сотен нанометров до сотен микрометров. Концентрация донорных примесей, которые вносят в полупроводник, составляет обычно 10¹⁵ см^–3. Удельное сопротивление не одинаково по протяжённости полупроводника, а максимальная концентрация примеси сформирована у граней пластины, к которым подсоединены контакты. Полупроводниковую пластину обычно выполняют неравномерного сечения сложной конфигурации, создавая на ней выступы и впадины. Работа и параметры диода Ганна напрямую зависят от распределения примесей в полупроводнике и его формы.

Рисунок 34 – Обозначение диода Ганна на схемах

Для изучения эффекта Ганна обратим внимание на рисунок 35, на котором представлена зависимость проводимости полупроводника i от напряжённости электрического поля E.

Подадим напряжение от внешнего источника питания к граням полупроводника, предназначенным для этого. Пока напряжённость поля будет мала, концентрация носителей зарядов от неё зависеть не станет, что отражено на рисунке линейным нарастанием проводимости полупроводника на участке от начала координат до точки A. Последующее повышение напряжённости поля приводит к замедлению роста проводимости полупроводника, и в точке B, соответствующей критической напряжённости поля, она перестанет повышаться.

Рисунок 35 – Вольт - амперная характеристика диода Ганна

Дальнейшее увеличение напряжённости поля вызывает повышенную интенсивность ударов электронов об атомы кристаллической решётки полупроводника, что приводит к уменьшению его дифференциальной проводимости на участке от B до C. Участок отрицательного дифференциального сопротивления имеет место лишь для переменных токов и напряжений. При увеличении напряжённости поля в связи с тем, что удельное сопротивление в объёме полупроводника несколько различно и волновые возмущения не постоянны, электроны с малой эффективной массой, называемые «быстрыми», отталкиваемые электрическим полем, начнут формировать и заполнять собой участок в сечении полупроводниковой пластины.

Эффекты Пельтье и Зеебека

Если в месте контакта двух специально подобранных разнородных материалов создать разность температур, то между этими материалами возникнет ЭДС. Это свойство носит называние эффекта Зеебека (см. рисунок 36), а обратное явление появления разности температур при протекании электрического тока именуют эффектом Пельтье. В качестве материалов могут выступать два металла, но при этом будет мала развиваемая ими термо-ЭДС. Чтобы получить большую величину термо-ЭДС, в качестве материалов используют пары полупроводников с электронным и дырочным типами проводимостей.

Рисунок 36 – Эффект Зеебека

Если один участок материала будет нагрет больше, чем другой, то электроны вследствие теплового движения будут перемещаться в направлении к менее нагретому участку. При этом из-за диффузии одна область материала будет перенасыщена электронами, а другая, наоборот, бедна ими, в результате чего между ними возникнет термо-ЭДС, и при подключении нагрузки потечёт электрический ток. Он будет противодействовать перераспределению электронов в материале.

Эффект Пельтье. Если через контакт специально отобранных полупроводников пропускать электрический ток, то в результате его действия, перемещаясь из одного полупроводника в другой, электроны, которые находились в более высокой энергетической зоне, попадают в полупроводник, в котором станут занимать более низкую энергетическую зону, а избыточная энергия перейдёт в тепло. Т.е. имевшие большую энергию электроны вынуждены отдать часть энергии, что вызовет тепловыделение. При этом температура той части системы, которую покидают электроны, уменьшается. А температура другой части, в которую они поступают, наоборот увеличивается. При активном отводе тепла от нагреваемого участка температура охлаждаемого участка станет ещё ниже.

Рисунок 37 – Устройство и работы батареи элементов на эффекте Пельтье

Принцип действия элементов Пельтье основан на эффекте Пельтье, а элементов Зеебека, – на эффекте Зеебека. Элементы Зеебека применяют в качестве датчиков температуры. Некоторые элементы Пельтье позволяют охладить предназначенные для этого участки полупроводника до меньшей температуры, чем ноль градусов Цельсия. К достоинствам элементов Пельтье и Зеебека относят компактность, отсутствие механических частей и шума при функционировании, высокую надёжность. Недостаток – крайне низкий КПД компонентов.

Туннельный эффект

Туннельный эффект был открыт японцем Лео Эсаки, который в 1973 году получил за него Нобелевскую премию, а практический образец туннельного диода был изготовлен ещё в 1958 году. Туннельный эффект, который относят к группе квантовых эффектов, заложен в основу принципа действия туннельных диодов.

Рисунок 38 – Вольт - амперная характеристика туннельного диода

Туннельный диод обладает очень тонким электронно-дырочным переходом, который образован вырожденными полупроводниками. Толщина электронно-дырочного перехода не должна превышать 10 нм. Роль полупроводника может играть кремний, антимонид галлия, арсенид галлия и др. Вольтамперная характеристика туннельного диода изображёна на рисунке 38.

При увеличении приложенного к диоду постоянного напряжения в прямом включении, прямой ток до определённой величины практически линейно возрастает.

При дальнейшем увеличении подведённого к диоду постоянного напряжения из-за высокой внутренней напряжённости поля, достигающей 10⁸ B/м, происходит разгон электронов, которые в момент попадания в тонкий электронно-дырочный переход не успевают остановиться и прошивают его насквозь, подобно движению в туннеле, практически без уменьшения энергии. В электронно-дырочном переходе в результате квантовых эффектов имеет место снижение напряжённости поля и уменьшение прямого тока через туннельный диод почти вплоть до полного прекращения. Это указывает на отрицательное дифференциальное сопротивление, которое равно приращению постоянного напряжения, приложенному к p-n переходу, делённому на отрицательное приращение постоянного тока. Туннельным эффектом называют квантовый процесс преодоления частицами электронно-дырочного перехода по причине высокой напряжённости поля без существенного изменения энергии. А участок отрицательного дифференциального сопротивления позволяет осуществлять генерацию, преобразование или усиление сигналов сверхвысоких частот за счёт потребляемой от источника питания энергии. Действительно, малошумящие каскады с отдельными промышленно изготавливаемыми туннельными диодами усиливают сигналы с частотой примерно 80 ГГц, и даже несколько более высокой. Столь высокое быстродействие легко объяснить чрезвычайно быстрым преодолением электронами электронно-дырочного перехода.

При последующем повышении приложенного к туннельному диоду постоянного прямого напряжения носители заряда диффундируют сквозь электронно-дырочный переход. Вследствие этого происходит повышение прямого тока при увеличении прямого напряжения, что не имеет отличий от прямой ветви вольтамперной характеристики обычного электронно-дырочного перехода.

При обратном включении туннельного диода дырки не испытывают трудностей в преодолении электронно-дырочного перехода и проникновения в область электронного типа, следовательно, туннельные диоды не обладают свойством односторонней проводимости.

Эффект Холла

Эффект Холла был выявлен в 1879 году Эдвином Гербертом Холлом. Эффект Холла, состоящий в отклонении электронов к одному из краёв пластинки и появлении между краями ЭДС, обнаружен в полупроводниках электронного типа проводимости, обязательно помещённых в магнитное поле, по которым протекает постоянный электрический ток. Эта ЭДС, называемая ЭДС Холла, возникает вследствие воздействия на упорядоченно движущиеся электроны силы Лоренца, которая отклоняет их к одному из краёв пластинки, которая приобретает отрицательный заряд.

Рисунок 39 – Эффект Холла

Другой край пластинки заряжен положительно, так как станет богат положительными носителями заряда. Материалом полупроводника может выступать селенид ртути, кремний, арсенид индия и пр. Напряжение Холла, возникающее между краями пластины, не велико и обычно менее нескольких десятков милливольт. Поэтому для возможности беспрепятственной регистрации его необходимо усилить. Эффект Холла лежит в основе принципа действия датчиков Холла, которые применяют в бесконтактных измерителях магнитной индукции: магнитометрах, тесламетрах и др.

Были открыты и другие подобные эффекты. Например, был открыт эффект Нернста–Эттингсгаузена, состоящий в возникновении электрического поля в полупроводнике, в котором наличествует градиент температур и который находится в магнитном поле.

Биполярные транзисторы