Імпульсні діоди з мікросплавним переходом

Діоди з мікросплавним переходом займають проміжне положення між площинними і точковими. Переходи імпульсних діодів отримують шляхом вплавлення на малу глибину тонкого мм алюмінієвого провідника в монокристалічну пластинку кремнію n-типу. Такі діоди мають діаметр переходу в (3÷5) разів більший ніж точкові і мають відповідно більші допустимі струми і кращі зворотні характеристики. Вплавлення відбувається при нижчій ніж при виготовленні сплавних n-p переходів температурі. Для зменшення часу відновлення зворотного опору до рівня нс застосовується термогартування, що дозволяє в разів зменшити час життя незрівноважених носіїв заряду, а також легування напівпровідника золотом. Крім того при легуванні золотом в декілька разів зменшується зворотний струм.

Хороші імпульсні властивості ( нс, декілька пФ) мають імпульсні діоди, які отримують шляхом мікровплавлення в германієву пластину n-типу тонкого золотого провідника (діоди із золотою зв’язкою). Вплавлення здійснюється шляхом подання коротких імпульсів струму. При охолодженні утворюється рекресталізований шар германію р- типу і n-р перехід з властивостями сплавного переходу малої площі. Для зменшення опору рекристалізованого шару в золото додають галій.

Імпульсні планарно-епітаксіальні діоди

Планарно-епітаксіальна технологія полягає в дифузії домішок через отвір в захисному шарі, який нанесений на поверхню напівпровідника. Структура планарно-епітаксіального імпульсного діода наведена на рис.3.20. Вихідним матеріалом є пластина кремнію n⁺-типу з дуже високою питомою електропровідністю, яку легують золотом. На одній з граней пластини нарощують тонкий шар кремнію того ж n-типу провідності тієї ж структури товщиною декілька мікрон, але з більшим питомим опором, , що дозволяє отримати більш високе значення зворотної напруги. Потім шар нанесеного кремнію окисляють і на поверхні отримують плівку окису SiO₂ товщиною (0,5÷1,0) мкм. Після цього методом фотолітографії і травлення в окремих місцях окисної плівки отримують отвори діаметром (50÷200) мкм і переходять до високотемпературної дифузії де дифузантом є бор або алюміній. Атоми домішок проникають через отвори і утворюють шар кремнію р-типу і n-р-перехід. Такий дифузійний перехід, який формується шляхом дифузії через отвір в захисному шарі, який нанесений на поверхню напівпровідника, називається планарним. До підкладу і до області р-типу під’єднують контакти, а окисну плівку покривають шаром низькотемпературного скла. Такі діоди мають велику ділянку прямої ділянки вольт-амперної характеристики з експоненціальною залежністю струму від напруги. Планарні імпульсні діоди мають такі електричні параметри:

Рис.3.20. Структура планарно- епітаксіального імпульсного діода

Діоди Шоткі

Це імпульсні діоди в яких використовується випрямляючі властивості на переході метал-напівпровідник. Якщо в місці контакту робота виходу електронів з напівпровідника менша від роботи виходу електронів в металі , то електрони з напівпровідника n-типу будуть переходити з напівпровідника в метал (Рис.3.21) і в приграничній області утвориться зона збіднена основними носіями заряду і тому вона буде мати великий електричний опір. Такий перехід має випрямляючі властивості.

В таких діодах відсутній процес інжекції при прямому ввімкненні і як наслідок відсутній процес нагромадження і розсмоктування зарядів. Інерційність діодів Шоткі зумовлена тільки впливом бар’єрної ємності. Основні електричні параметри діодів Шоткі:

ГГц. При малих струмах в широкому діапазоні струмів (10^-12 ÷ 10^-4 ) А в діодах Шоткі зберігається експоненціальна залежність між прямим струмом і прямою напругою. В якості металу застосовують: молібден, ніхром, золото і платину.

Рис.3.21. Діоди Шоткі: а) структура; б) позиційне позначення

С

Рис.3.22. Вольт-амперна характеристика кремнієвого стабілітрона при зворотному ввімкненні

табілітрони. Як було показано вольт-амперна характеристика напівпровідникових діодів в області електричного пробою має ділянку, яка може бути використана для стабілізації напруги. Така ділянка у кремнієвих площинних діодів відповідає змінам зворотного струму в широких межах. При цьому до настання пробою зворотний струм дуже малий, а в режимі пробою, тобто в режимі стабілізації, він стає такого ж порядку, як і прямий струм. У цей час випускаються виключно кремнієві стабілітрони різних типів. Їх також називають опорними діодами, оскільки стабільне напруги в ряді випадків, що отримується від них використовується як еталонне. На рис.3.22 зображена типова вольт-амперна характеристика стабілітрона при зворотному струмі, з якої видно, що в режимі стабілізації напруги змінюється незначно. Характеристика для прямого струму стабілітрона така ж, як у звичайних діодів.

Кремнієві стабілітрони можуть бути виготовлені на малі напруги (одиниці вольт), а саме такі потрібні для живлення багатьох транзисторних пристроїв.

Розглянемо основні параметри кремнієвих стабілітронів. Напруги стабілізації U_ст може бути приблизно від 5 до 200 В, зміна струму стабілітрона від I_min до I_мах складає десятки і навіть сотні міліампер. Максимальна допустима потужність Р_доп, що розсівається в стабілітроні, від сотень міліват до одиниць ват. Диференціальний опір R_д в режимі стабілізації може бути від десятих часток ома для низьковольтних потужних стабілітронів до 200 Ом для стабілітронів на більш високі напруги. Низьковольтні стабілітрони невеликої потужності мають опір R_д від одиниць до десятків ом. Чим менший R_д, тим краща стабілізація напруги. При ідеальній стабілізації було б R_д = 0. Оскільки R_д є опором для змінному струму, то його не треба плутати зі статичним опором, тобто опором постійному струму R₀ . Опір R₀ завжди у багато разів більше R_д. Вплив температури оцінюється температурним коефіцієнтом напруги стабілізації ТКН, який характеризує зміну напруги U_ст при зміні температури на один градус,

ТКН =ΔU_СТ / (U_СТΔT).

Т

Рис.3.23. Схема ввімкнення стабілітрона

емпературний коефіцієнт напруги може бути від 10^-5 до 10^-3 . Значення U_ст і знак ТКН залежать від питомого опору основного напівпровідника. Стабілітрони на напругу до 7 В виготовляються з кремнію з малим питомим опором, тобто з великою концентрацією домішок. У цих стабілітронах n-р-перехід має малу товщину, в ньому діє поле з високою напруженістю і пробій відбувається головним чином за рахунок тунельний ефекту. При цьому ТКН виходить від’ємний.

Якщо же застосований кремній з меншою концентрацією домішок, то n-р-перехід буде більшої товщини. Його пробій виникає при більш високих напругах і має лавинний механізм. Для таких стабілітронів характерний додатний знак ТКН.

Найпростіша схема застосування стабілітрона показана на рис. 3.23. Навантаження ввімкнене паралельно стабілітрону. Тому в режимі стабілізації, коли напруга на стабілітроні майже стала, така ж напруга буде і на навантаженні. Всі зміни напруги джерела Е при його нестабільності майже повністю поглинаються обмежувальним резистором R_обм.

Н

Рис.3.24. Ввімкнення додаткового резистора для пониження напруги на навантаженні

айчастіше стабілітрон працює в такому режимі, коли напруга джерела нестабільна, а опір навантаження R_Н сталий. Для встановлення і підтримки правильного режиму стабілізації в цьому випадку опір R_oбм повинен мати певне значення. Звичайно R_обм розраховують для середньої точки (Т) характеристики стабілітрона. Якщо напруги Е змінюється від E_min до Е_мах, то можна R_oбм знайти за наступним виразом

R_oбм = (Е_ср- U_cт) / (I_cp +I_н), (3.10)

де Е_ср = 0,5 (E_min + E_max) – середнє значення напруги джерела; I_ср = 0,5 (I_min + I_mах) середній струм стабілітрона; I_н = U_cт / R_н струм навантаження.

Якщо напруга Е буде змінюватися в ту або іншу сторону, то буде змінюватися струм стабілітрона, але напруга на ньому, а отже, і на навантаженні буде майже сталою.

Оскільки всі зміни напруги джерела повинні поглинатися обмежуючим резистором, то найбільша зміна цієї напруги, буде рівна E_max - E_min, повинна відповідати найбільшій можливій зміні струму, при якій ще зберігається стабілізація, тобто I_max - I_min. Звідси випливає, що якщо значення E змінюється на ΔЕ, то стабілізація буде здійснюватися тільки при дотриманні умови

ΔЕ < (I_max-I_min) R_обм. (3.11)

Стабілізація в більш широкому діапазоні зміни ΔЕ можлива при збільшенні R_обм. Але з формули (3.18) виходить, що більше значення R_oбм отримуємо при меншому значені I_н, тобто при більшому R_н. Підвищення Е_ср також дає збільшення І_н і коли необхідно отримати стабільну напруги більш низьку, ніж ту, яку забезпечує стабілітрон. Тоді послідовно з навантаженням вмикають додатковий резистор, опір якого легко розрахувати згідно із законом Ома (рис.3.21).

Другий можливий режим стабілізації застосовується в тому випадку, коли Е = const, а R_н змінюється в межах від R_нmin до R_н.mах. Для такого режиму R_o,v можна визначити за середніми значеннями струмів за формулою

R_обм = (Е - U_ст)/(I_ср + I_н.ср), (3.12)

де I_н.ср = 0,5 (І_н.min + I_н.mах). Причому І_н.min =U_ст / R_{н max} і I_н.тах = U_ст / R_н.min.·

Роботу схеми в даному режимі можна пояснити так. Оскільки R_обм сталий і спад напруги на ньому, складає Е - U_cт, буде сталим, то і струм в R_обм, рівний I_ср + I_н.ср, також повинен бути сталим. Але це буде можливе тільки в тому випадку, якщо струм стабілітрона I_ст і струм I_н змінюються на одне і теж значення, але в протилежні сторони. Наприклад, якщо I_н збільшується, то струм I_ст на стільки ж зменшується, а їх сума залишається незмінною.

Для отримання більш високих значень стабільних напруг застосовується послідовне з'єднання стабілітронів, розрахованих на однакові струми (рис.3.24). Внаслідок розкиду характеристик і параметрів у окремих зразків стабілітронів даного типу їх паралельне з'єднання з метою отримання великих значень струмів не рекомендується. Воно допускається тільки при умові, що сумарна потужність, що розсівається на всіх стабілітронах, не перевищує граничної потужності одного стабілітрона.

Б

Рис.4.1. Будова (а) і умовне графічне позначення (б) площинного транзистора

ІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ