Лекции / Разновидности полупроводниковых диодов
.pdf
На рис.17 участок 1-2 – отрицательное сопротивление. ТД используют для построения генераторов. Применение ограничено. Усилительные: ЗИ101, ЗИ104;
переключательные: ЗИ106-ЗИ109; генераторные: ЗИ201-ЗИ203.
ТД работает на эффекте туннелирования потенциального барьера. Между слоями p
и n очень тонкий обедненный слой. При напряжении 0.6-0.7В в переходе достигает очень
больших значений (5-7)105 В |
. Потенциальный барьер такого перехода выглядит |
|
см |
примерно так, как показано на рис.19 |
|
|
рис.19 |
При этом через переход могут течь значительные токи, как в прямом, так и в обратном направлениях. Только при прямом смещении он растет до Imax , а потом падает до Imin . Снижение токов объясняется уменьшением электронов, способных пройти барьер туннелированием. При напряжении U2 их число становится равным нулю. Дальнейший рост объясняется обычным переходом электронов, преодолевших высоту барьера.
Из-за малой ширины перехода носители практически мгновенно преодолевают барьер. Поэтому ТД является практически безинерционным прибором.
Из-за разного механизма переноса заряда ТД имеет и разные схемы замещения. На особом участке ВАХ он характеризуется эквивалентной схемой (рис.20)
рис.20
Сп
Lrn
G
Здесь L – индуктивность выводов; Сп - общая емкость диода в точке минимума ВАХ; G – отрицательная проводимость участка 1-2; r – общее активное сопротивление слоев диода. Пример построения генератора на ТД на рис.21
11
рис.21
Rн
Если смещение Е1 , то первой точкой при включении питания будет точка А (рис.22). – активные потери, ограничение тока на уровне I А и т.о. нет генерации.
Если Е2 , то рабочая точка попадает на участок отрицательного сопротивления. Возникает генерация колебаний. Частота этих колебаний зависит от реактивного
|
|
|
1 |
G |
2 |
||
сопротивления диода и равна ω |
p |
= |
|
− |
|
. |
|
|
|
||||||
|
|
LC |
C |
|
|||
Недостатками ТД являются малые рабочие напряжения и малые амплитуды колебаний (10-20мВ). Частота генераторов на ТД не превышает 1 ГГц и поэтому ТД не нашли широкого применения в технике.
рис.22
I
Е2
Rн
Е1 |
A |
|
Rн |
ВС
U
Е1 |
Е2 |
2.Фотодиоды. У фотодиодов p-n-переход открыт для светового излучения. Свет, падая на диод, приводит к появлению фотоносителей (генерируемых светом). Носители подхватываются полем и образуют фототок.
12
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I = I |
0 |
(e |
ϕT |
−1) − I |
ф |
= I |
0 |
e |
ϕT |
− I |
0 |
− I |
ф |
= I |
диф |
− (I |
0 |
+ I |
ф |
) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т.о., растет обратный ток диода.
I |
|
= S |
Ф , |
S |
|
= |
Iф |
ф |
i |
|
|||||
|
i |
|
|
|
Ф |
||
|
|
|
|
|
|
|
Si - интегральная чувствительная, Ф – световой поток. ВАХ изображена на рис.23
рис.23
I
ϕ = 0 I0 |
|
|
U х.х ϕ |
к |
U |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
ϕ > 0 |
I |
ф |
Iк.з. |
|
|
|
|
|
|
|
Из ВАХ следует, что если к диоду не прикладывать внешних напряжений (U=0), то по закороченной цепи диода будет течь ток Iк.з.. Если диод не закорачивать, то при освещении на его зажимах образуется напряжение U х.х.. Т.е., в режиме холостого хода диод может выполнять роль источника ЭДС. Режим короткого замыкания реализовать трудно. Поэтому используется режим с подключением источника питания и нагрузки.
Используется обратная ветвь ВАХ (рис.24а). |
|
|
|
рис.24 |
|
а) |
б) |
в) |
U |
E U Rн |
Uфд |
|
Uн |
|
|
|
Ф=0 |
|
|
Iг |
E |
|
|
|
Ф |
>0 |
|
|
|
ФД |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Ф2> Ф1 |
|
|
|
|
|
Rн |
|
|
Ф3>Ф 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е |
Е-Uг |
+ |
Е |
- |
|
|
|
Rн |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
13
ФД используются как приемники оптического измерения. Основные характеристики: интегральная чувствительность Si ; темновой ток IT ; постоянная времени τ
ФД применяются в диапазоне 0,4-2мкм. Si зависит от площади перехода. Обычно
люкс. IT невелик и составляет 10−2..1мкА. Постоянная времени – время
восстановления темнового тока τ ≈10−3..1мкс . Обозначают так: ФД24К. 3.Светоизлучающие диоды (СИД). СИД преобразуют электрическую энергию в
световое излучение за счет рекомбинации носителей (излучательная рекомбинация) из эмиттера в базу диода. Часть носителей рекомбинирует в p-n-переходе с излучением света. При прямом смещении перехода происходит инжекция носителей. Энергия излучаемых фотонов обычно имеет малый разброс, т.е. измерение имеет узкий диапазон длин волн. Спектральные характеристики излучения приведены на рис.25.
рис.25
Iф
Зелен. |
Красн. |
ИК |
|
GaP |
GeAs |
0,5 |
0,6 |
|
0,7 |
0,8 |
|
0,9 |
|
1,0 |
λ ,мкс |
|
|
|
4.Обращенные диоды применяются как выпрямители в СВЧ диапазоне малых напряжений. При этом используется обратная ветвь (рис.26).
рис.26
14
Прямая ветвь напоминает обратную характеристику 5. Генераторы шума (2Г401). ВАХ как у стабилитронов. Пробой – дробовой шум.
Iотр выбирают меньше Iстmin . В этом случае возникает нестабильность параметров –
флуктуации, - шум.
6. Магнитодиоды. ВАХ зависит от индукции магнитного поля и расположения вектора магнитной индукции относительно плоскости перехода. Используется прямая ветвь. Мугнитодиоды используются как датчики магнитного поля.
Обозначения: КД301В В=0; I=3мА; U=10B B=0,4; I=3мА; U=32B
7.Диоды Ганна. Имеется участок отрицательного сопротивления на ВАХ как и у ТД. При создании электрического поля определенной напряженности возникают колебания электрического поля.
Частота колебаний определяется параметрами диода, а не параметрами внешней цепи (колебательный контур).
8.СВЧ-диоды. Предназначены для работы в том же диапазоне частот, что и ОД. В основном это точечные диоды без инжекции неосновных носителей через переход. Различают смесительные (2А101-2А109), детекторные (2А201-2А203), параметрические (1А401-1А408), переключательные и ограничительные (2А503-2А524), умножительные и настроечные (Э2А601-Э2А603), генераторные (3А703-3А705). Диапазон – сантиметровые волны. Имеют различные конструкции – коаксиальные и волновидные
Итак, введем обозначения диодов:
1.Буква – материал Г, К, А – широко потребляемые; цифра –материал 1, 2, 3 – приборы специального назначения;
2.Буква – подкласс диода Д – выпрямительные или универсальные, И – туннельный и обращенный, В – варикап, С – стабилитрон, А – СВЧ-диоды;
3.Цифра: 101-399 – выпрямительные, 401-499 – выпрямительные, 501-599 – импульсные. У стабилитронов первая цифра – класс мощности, вторая и третья – напряжение стабилизации, у всех остальных: 4 и 5 – порядковый номер разработки; 6 знак
–буква – параметрическая группа по технологическому типу. У стабилитронов – последовательность разработки.
15
p-i-n-диоды
В технике СВЧ в устройствах управления уровнем используются переключательные диоды.
Принцип действия переключательного диода основан на большом различии полного сопротивления диода при прямом и обратном постоянном напряжении на диоде. По своей сути он подключает или отсекает СВЧ-цепь, следующую за диодом. Отсюда требования к переключательным диодам – с минимальными потерями пропускать СВЧмощность в состоянии пропускания и не пропускать в состоянии замирания, обладать большой допустимой мощностью рассеяния, большим пробивным напряжением, малой емкостью и большой скоростью переключения.
Для увеличения мощности рассеяния приходится увеличивать площадь перехода, что приводит к увеличению емкости перехода и снижению скорости
переключения. Чтобы уменьшить емкость нужно увеличить l0 ,т.к. С0 = ε0εS . Это l0
достигается путем введения между p- и n-слоями слоя i – собственной проводимости. Получается p-i-n-диод (рис.27)
|
|
|
рис.27 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
p+ |
i |
n− |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
Иногда вместо i-слоя делают слой с малой концентрацией акцепторов (π -слой), концентрацией доноров (ν -слой).
Особенность p-i-n-диодов в том, что, имея малую барьерную емкость, она мало зависит от напряжения, что положительно сказывается на точность передачи формы импульсов (частотные искажения).
Напряжение пробоя p-i-n-диодов достигает нескольких сотен вольт, что существенно выше, чем у обычных переключателей. Форма диода (корпус) зависит от области применения. Диоды допускают как последовательное, так и параллельное подключение нагрузки (линии передачи).
16
|
рис.6а |
|
I |
I, А |
ДШ |
0,5А ДШ |
обычный диод 100 |
обычный диод |
|
50 |
|
0.1 0.2 0.3 0.4 В |
1 |
U,В |
малоточные ДШ |
сильноточные ДШ и выпрямит. |
|
рис.8
+50 +20
-50
+50 +20 -50
17