Полупроводниковые диоды. Типы, вольтамперные характеристики специальных диодов – стабилитрона, туннельного диода, варикапа, диода Шоттки.

Полупроводниковый диод – это прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n-переходов (несколько в случае диодного включения биполярных или полевых транзисторов).

Бывают выпрямительные (для выпрямления переменного тока, исходя из частоты и формы сигнала – импульсные, высокочастотные и низкочастотные) и специальные (в них используют различные свойства p-n-переходов: явление пробоя, барьерную емкость) группы диодов.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные (большая площадь p-n-переходов – для больших рабочих токов) и точечные (маленькая S – для маленьких токов), а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов – в одной из областей концентрация примеси, определяющая вид проводимости, значительно больше, чем в другой области. Область с высокой концентрацией примеси называется эмиттером, с низкой – базой.

Основные параметры выпрямительных диодов:

1) Максимально допустимое обратное напряжение диода – напряжение, приложенное в обратном включении, которое долгое время может стабильно поддерживать диод без нарушения работоспособности.

2) Средний выпрямительный ток диода – максимально допустимое, среднее за период значение выпрямленного постоянного тока через диод.

3) Импульсный прямой ток диода – допустимое пиковое значение импульса тока при заданной длительности и скважности импульсов.

4) Обратный ток диода – постоянный обратный ток, обусловленный постоянным обратным напряжением.

5) Постоянное прямое напряжение – постоянное прямое напряжение, обусловленное заданным значением прямого тока. Отношение этих величин определяет сопротивление диода по постоянному току в заданной точке ВАХ.

Импульсные диоды

Имею малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад, у выпрямительных – десятки пикофарад) –> уменьшение площади p-n-переходов –> маленькие мощности рассеяния.

Основные параметры:

1) Максимальное импульсное прямое напряжение.

2) Максимально допустимый импульсный прямой ток

3) Время установления – интервал времени от момента подачи импульса прямого напряжения на диод до достижения заданного значения прямого тока в нем.

4) Время восстановления – обратного сопротивления диода.

Стабилитрон

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, работающие в режиме управляемого лавинного пробоя (лавинный пробой – пробой, связанный с тем, что в сильном электрическом поле носители заряда могут приобретать энергию, достаточную для ударной ионизации кристаллической решётки. Ударной ионизации — физическое явление, при котором «горячий» электрон или «горячая» дырка, набравшие достаточно высокую кинетическую энергию в сильном электрическом поле, ионизуют кристалл и создают в нём электронно-дырочную пару.).

Рис. ВАХ стабилитрона.

При прямом напряжение на стабилитроне его ВАХ нечем не отличается от ВАХ обычного кремневого диода, причем этот участок ВАХ обычно не используется. У стабилитрона используется участок ВАХ, соответствующий обратному напряжению р-n перехода. Основное применение диода – стабилизация напряжение.

Основные параметры:

1) Напряжение стабилизации (Ucт)– падение напряжения на стабилитроне при протекание заданного тока стабилитрона (колеблется в диапазоне от 3 до 200 В).

2) Максимально допустимая мощность (Рмакс) – мозность рассеиваемая на стабилитроне (составляет сотни миливатт).

3) Максимальный ток стабилизации (Imax) – вытекает из 2х преведущих Imax < Рмакс * Ucт.

4) Минимальный ток стабилизации (Imin).

5) Дифференциальное сопротивление (Rст) – сопротивление которые при заданном значение тока на участке пробоя(составляет от единицы до сотен ом).

6) Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКU) – относительное изменение напряжения стабилизации ∆Uст при изменение температуры корпуса на 1 С.

Варикапы

Варикапы – это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость p-n-перехода, которая зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и уменьшается с его увеличением.

Варикапы находят применение в различных электронных схемах – модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой и др.

Вольт-фарадная характеристика варикапа.

Уго варикапа.

 

Основные параметры:

 

1) Начальная емкость (С0) – емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении.(десятки-сотни пФ).

2) Коэффициент перекрытия по емкости (Кс) – равный отношению максимальной емкости к минимальной емкости (от нескольких пФ до нескольких десятков пФ).

3) Добротность варикапа (Q) – равная отношению реактивного сопротивления (электрическое сопротивление, обусловленное передачей энергии переменным током электрическому или магнитному полю и обратно) варикапа к сопротивлению потерь при заданном значении емкости обратного напряжения и заданной частоте.

Туннельные диоды

 

Туннельный диод – полупроводниковый диод, на ВАХ которого имеется участок с отрицательный дифференциальным сопротивление (участок АВ рисунок 3.10).

Наличие этого участка следствие проявления туннельного эффекта. уннельный эффект, туннелирование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.

В туннельном диоде туннелирование электронов добавляет горб в вольтамперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50..150.

Основные параметры:

Iп и Uп – пиковые ток и напряжение начала падающего участка;

Iв и Uв – ток и напряжение впадины (конца падающего участка);

Up – диапазон напряжений падающего участка

Диоды Шоттки

В диодах этого типа используется переход металл-проводник. Инжекция неосновных носителей заряда в базу диода отсутствует, так как прямой ток образуется электронами. Накопление заряда в базе не происходит, поэтому время переключения может быть существенно уменьшено. Другая особенность диодов Шоттки – меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжение р-п перехода при тех же токах(инжекция- процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область п/п, где носители – неосновные).

Уго диода Шоттки.

15. Основные параметры биполярного транзистора (входное сопротивление, коэффициент передачи тока, выходное сопротивление, обратный ток коллектора) для схемы включения с общим эмиттером.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n-перехода. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n-транзисторы и p-n-p-транзисторы. В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки.

Принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Входное сопротивление (сопротивление база эмиттер) – входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения U_бэ от входного тока I_б

Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

β= I_К / I_Б

Выходное сопротивление (сопротивление коллектор эмиттер) выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ считывается зависимость I_к при заданном токе I_б

Rвых=Uвых/Iвых=Uкэ/Iк

Обратный ток коллектора (ток коллектор-база)

Часть его от­ветвляется в базу, образуя ток базы /б, а другая—ток коллектора /к. Таким образом, полезный управляемый ток коллектора, протекающий через нагрузку, «оставляет только часть входного тока эмиттера: Iк=E/Rк, т. Е.

16. Основные этапы микроэлектронных технологий биполярного и полевого транзисторов, диодов, резисторов.

 

1) Этап проектирования топологии

2) Технологический этап

 

Используется интегральная технология на высокопроизводительных автоматизированных установках, для того что бы производить значительное количество идентичных по параметрам функциональных узлов.

Для биполярного и полевого транзисторов, диодов, резисторов технологический этап разный.

БПТ монолитных ИМС получают последовательной диффузией донорных и акцепторных примесей в островки. Выводы располагаются в одной плоскости (планарная технология). Для БПТ – создание трехслойной структуры с областями разного типа проводимости (диффузия, имплантация, эпитаксиальное наращивание).

Резисторы и диоды строятся на основе транзисторной структуры БПТ.

Для полевого транзистора – изготавливаются по тем же технологиями что и БП транзистор. Идет создание каналов (сток, исток, затвор).