Полупроводниковые диоды

Добавлено 25 июня 2016 в 02:00

Глава 2 - Теория твердотельных приборов

До появления материалов с высокой степенью чистоты было доступно сырье, хоть и неочищенное, но пригодное для использования в полупроводниковых выпрямителях. В 1874 году Фердинанд Браун изобрел точечный выпрямитель на основе сульфида свинца, PbS. В 1924 году в качестве силовых выпрямителей использовались выпрямители на основе оксида меди. Прямое падение напряжения на них составляло 0,2В. Возможно, из-за линейности характеристики, Cu2O использовалась в качестве выпрямителя для шкалы переменного тока в мультиметрах на основе гальванометра д'Арсонваля. Данный диод также был чувствителен к свету.

До появления современных мощных диодных выпрямителей также использовался оксид селена. Выпрямители на основе оксидов меди и селена были поликристаллическими устройствами. Из селена когда-то также изготавливались фотоэлементы.

До наступления современной полупроводниковой эры первые применения диодов заключались в использовании их в радиочастотных детекторах, которые из радиосигнала извлекали аудиосигнал. «Полупроводник» был поликристаллическим куском минерала галенита, сульфида свинца, PbS. Острый металлический проводник, известный как кошачий ус, контактировал с точкой на кристалле в поликристаллическом минерале (рисунок ниже). Оператору было достаточно трудно найти «чувствительную» точку на галените, перемещая по нему кошачий ус. Видимо, это были точки P и N типов, которые из-за разнообразия неконтролируемых примесей были распределены на кристалле случайным образом. Реже использовался минерал железного колчедана, золота дураков, так как имелся в наличии карборунд, карбид кремния, SiC. Другой детектор (окопное радио, foxhole radio) состоял из заточенного карандаша, связанного с изогнутой булавкой и касающегося ржавого синего лезвия бритвы. Все эти детекторы требовали поиска чувствительной точки, которая легко терялась при вибрации.

кристаллический детектор
Кристаллический детектор
окопное радио foxhole radioокопное радио foxhole radio
Окопное радио (foxhole radio)

Замена минерала легированным полупродником N-типа (рисунок ниже (a)) сделала всю поверхность чувствительной, поэтому больше не требовалось искать чувствительную точку. В 1906 году устройство было усовершенствовано Г.У. Пиккардом. Заостренный металлический контакт создавал в полупроводнике локальную область P-типа. Острие металла было зафиксировано на одном месте, а весь точечный диод для механической и электрической стабильности был помещен в цилиндрический корпус.

Рисунок (d) ниже: обратите внимание, что полоса катода на условном графическом обозначении соответствует полосе на физическом корпусе.

Кремниевые точечные диоды внесли важный вклад в разработку радаров во время Второй мировой войны, детектируя радиочастотные эхо-сигналы на гигагерцах в приемниках радаров. Идея в том, что точечные диоды появились на несколько десятилетий раннее и предшествовали плоскостным диодам и современным полупроводникам. Даже по сей день, точечный диод является практическим средством обнаружения СВЧ из-за его низкой емкости. Германиевые точечные диоды были гораздо более доступны по сравнению с сегодняшним днем, причем, в некоторых областях, например, в приемниках с автономным питанием, они были и более предпочтительны из-за низкого прямого напряжения (0,2 В). Точечные диоды, хотя и чувствительны в широкой полосе частот, обладают более низким ограничением по току, по сравнению с плоскостными диодами.

полупроводниковый диод
Кремниевый диод в разрезе: (a) точечный диод, (b) плоскостной диод, (c) условное графическое обозначение, (d) корпус слаботочного диода.

Большинство диодов сегодня являются кремниевыми плоскостными диодами. Поперечное сечение на рисунке (b) выше выглядит чуть сложнее, чем простой P-N-переход; хотя это всё еще P-N-переход. Начнем с точки подключения катода, N+ указывает, что эта область сильно легирована, и обозначение никак не связано с полярностью. Это уменьшает последовательное сопротивление диода. Область N- слабо легирована, на что указывает знак '-'. Слабое легирование дает диод с более высоким обратным напряжением пробоя, что очень важно для высоковольтных силовых выпрямительных диодов. Низковольтные диоды, даже низковольтные силовые выпрямительные диоды, будут обладать более низкими прямыми потерями, благодаря более сильному легированию. Самая сильная степень легирования дает стабилитроны, разработанные для низкого напряжения пробоя. Однако сильное легирование увеличивает обратный ток утечки. Область P+ в точке контакта анода сильно легирована полупроводником P-типа для хорошего контакта. Небольшие полупроводниковые диоды (с токами от десятков до сотен миллиампер) заключаются в стеклянные корпуса. В пластиковые и керамические корпуса заключаются мощные выпрямительные диоды, работающие с токами до тысяч ампер.

Подведем итоги

Точечные диоды обладают превосходными высокочастотными характеристиками и лучше всего подходят для использования на сверхвысоких частотах.

Диапазон плоскостных диодов лежит от небольших сигнальных диодов до мощных выпрямительных диодов, работающих с токами до тысяч ампер.

Степень легирования вблизи перехода определяет величину обратного напряжения пробоя. Слабое легирование создает высоковольтный диод. Сильное легирование дает низкое напряжение пробоя и увеличивает обратный ток утечки. Стабилитроны обладают более низким напряжением пробоя, благодаря сильному легированию.


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке