3.8. Основні типи напівровідникових діодів

Н

Рис.3.16. Принцип побудови точкового діода

апівпровідникові діоди поділяються на групи за багатьма ознаками. Бувають діоди з різних напівпровідникових матеріалів, призначені для низьких або високих частот, для виконання різних функцій і відмінні один від одного за конструкцією. У залежності від структури розрізнюють точкові і площинні діоди. У точкових діодів лінійні розміри, що визначають площу n-р-переходу, такі ж, як товщина переходу, або менші за неї. У площинних діодів ці розміри значно більше товщини переходу.

Точкові діоди мають малу ємність n-р-переходу (звичайно менше за 1 пФ) і тому застосовуються на будь-яких частотах аж до НВЧ. Але вони можуть пропускати струми не більше за одиниці або десятки міліампер. Площинні діоди в залежності від площі переходу мають ємність порядку десятки пікофарад. Тому їх застосовують на частотах не вище за десятки кілогерц. Допустимий струм в площинних діодах буває від десятків міліампер до сотень ампер.

Основою точкових і площинних діодів є пластинки напівпровідника, вирізані з монокристала, що має у всьому своєму об'ємі правильну кристалічну будову. В якості напівпровідникові речовини для точкових і площинних діодів застосовують частіше за все германій і кремній, а останнім часом також арсенід галію (GaAs) та інші з'єднання.

Принцип побудови точкового діода схематично показаний на рис.3.16. Тонкий загострений провідник (голка) з нанесеною на неї домішкою приварюється за допомогою імпульсу струму до пластинки напівпровідника з певним типом електропровідності. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Цей процес називається формуванням діода. Таким чином, біля голки утворюється мініатюрний n-р-перехід півсферичної форми. Отже, різниця між точковими і площинними діодами полягає в площі n-р-переходу.

Г

Рис.3.17. Будова площинних діодів, виготовлених сплавним (а) і дифузійним (б) методом

ерманієві точкові діоди звичайно виготовляються з германію n-типу з порівняно великим питомим опором. До пластинки германія приварюють провідник з вольфраму, покритого індієм. Індій є для германію акцептор. Отримана область германію р-типу виконує функцію емітера. Для виготовлення кремнієвих точкових діодів використовуються кремній n-типу і голка, покрита алюмінієм, який служить акцептор для кремнію.

Площинні діоди виготовляються головним чином методами сплавлення або дифузії (рис.3.17). У пластинку германію n-типу вплавляють при температурі біля 500 °С краплю індію, яка, сплавляючись з германієм, утворить шар германію р-типу. Область з електропровідністю р-типу має більш високу концентрацію домішки, ніж основна пластинка порівняно високоомного германію, і тому є емітером. До основної пластинки германію і до індію припаюють вивід, звичайно з нікелю. Якщо за початковий матеріал взятий високоомний германій р-типу, і в нього вплавляти сурму і тоді формується емітерна область n-типу.

Потрібно зазначити, що сплавним методом отримують так звані різкі, або сходинчаті, n-р-переходи, в яких товщина області зміни концентрації домішок значно менше товщини області об'ємних зарядів у переході.

Дифузійний метод виготовлення n-p-переходу оснований на тому, що атоми домішок дифундують в основний напівпровідник. Речовина домішок при цьому звичайно знаходиться в газоподібному стані. Для того, щоб дифузія була інтенсивною, основний напівпровідник нагрівають до більш високої температури, ніж при методі сплавлення. Наприклад, пластинку германію n-типу нагрівають до 900 °С і поміщають в пари індію. Тоді на поверхні пластинки утвориться шар германію р-типу. Змінюючи тривалість дифузії, можна досить точно отримувати шар потрібної товщини. Після охолоджування його видаляють шляхом травлення з всіх частин пластинки, крім однієї грані. Дифузійний шар грає роль емітера. Від нього і від основної пластинки роблять виводи. При дифузійному методі атоми домішок проникають на відносно велику глибину в основний напівпровідник, і тому n-р-перехід виходить плавним, тобто в ньому товщина області зміни концентрації домішки співмірна з товщиною області об'ємних зарядів.

Випрямляючі площинні діоди. Широко поширені низькочастотні випрямляючі діоди, призначені для випрямлення змінного струму з частотою до одиниць кілогерц (іноді до 50 кГц). Ці діоди застосовуються у випрямляючих пристроях для живлення різної апаратури. Іноді їх називають силовими діодами. Низькочастотні діоди є площинними і виготовляються з германію або кремнію. Вони діляться на діоди малої, середньої і великої потужності, що відповідає граничним значенням випрямленого струму до 300 мА, від 300 мА до 10 А і вище за 10 А. Всі параметри діодів звичайно вказуються для роботи при температурі навколишнього середовища 20 ± 5 °С.

Германієві діоди виготовляються, як правило, шляхом вплавлення індію в германій і-типу. Вони можуть допускати" густину струму до 100 А/см² при прямій напрузі до 0,8 В. Гранична зворотна напруга у них не перевищує 400 В, а зворотний струм звичайно буває не більш десятих часток міліампера для діодів малої потужності і одиниць міліампер для діодів середньої потужності. Робоча температура цих діодів від - 60 до + 75 °С. Якщо діоди працюють при температурі навколишнього середовища вище за 20 °С, то необхідно знижувати зворотну напругу. При зниженому атмосферному тиску або незадовільному охолоджуванні можливий перегрів діодів. Щоб не допускати його, потрібно знижувати випрямлений струм.

Потужні германієві діоди працюють з природним охолоджуванням. Вони виготовляються на випрямлений струм до 1000 А і зворотну напругу до 150 В.

Випрямляючі кремнієві діоди останнім часом набули особливо великого поширення. Вони виготовляються шляхом cплавлення алюмінію з кремнієм р - типу, а також сплаву олова з фосфором або золота з сурмою в кремній р-типу. Застосовується і дифузійний метод. У порівнянні з германієвими кремнієві діоди мають ряд переваг. Гранична густина прямого струму у них до 200 А/см², а гранична зворотна напруга може бути до 1000 В. Робоча температура від - 60 до +125 °С (для деяких типів навіть до +150 °С). Пряма напруга у кремнієвих діодів доходить до 1,5 В, тобто трохи більше, ніж у германієвих діодів. Зворотний струм у кремнієвих діодів значно менше, ніж у германієвих.

Для випрямлення високих напруг випускаються кремнієві стовпи в прямокутних пластмасових корпусах, залитих ізолюючою смолою. Вони бувають розраховані на струм до сотень міліампер і зворотну напругу до декількох кіловольт. Для більш зручного складання різних схем випрямлення, наприклад мостових або подвоєння, служать кремнієві випрямляючі блоки. У них є декілька стовпів, від яких зроблені окремі виводи. Потужні кремнієві діоди випускаються на випрямлений струм від 10 до 500 А і зворотну напругу від 50 до 1000 В.

Випрямляючі точкові діоди.

Принцип їх побудови був вже розглянутий. Точкові діоди широко застосовуються на високих частотах, а деякі типи і на НВЧ (на частотах до декількох сотень мегагерц), і можуть також успішно працювати на низьких частотах. Ці діоди використовуються в самих різних схемах, тому їх іноді називають універсальними.