3. Устройство диодов

Способы получения электронно-дырочного перехода. Для создания р-n-перехода в полупроводниковых приборах наибольшее распростране­ние получили два метода: сплавной и диффузионный.

Сплавной метод заключается в сплавлении полупроводника типа п с помещенной на его поверхности таблеткой из акцепторной примеси или полупроводника типа р с таблеткой донорной примеси. Для этого из кристаллического полупроводника (германия или кремния) нареза­ют тонкие пластинки, которые тщательно полируют и протравливают. Промытые и высушенные пластинки закладывают вместе с таблеткой из примесного вещества в специальные кассеты, которые загружают в вакуумную или водородную печь и нагревают до температуры 500— 550 °С. Температуру нагрева выбирают таким образом, чтобы прилежа­щий к таблетке слой полупроводника растворялся в расплавленном материале примеси. При охлаждении полупроводник рекристаллизуется, захватывая примеси, в результате чего изменяется тип его прово­димости. Поэтому на границе между исходным и рекристаллизованным полупроводником образуется р-n-переход.

При изготовлении германиевых диодов пластинку из германия сплавляют с таблеткой индия, при изготовлении кремниевых диодов пластинку кремния сплавляют с таблеткой алюминия (фольгой из алю­миниевого сплава). Процесс получения р-n-перехода по сплавной техно­логии обычно совмещается с выполнением других операций, необходи­мых для изготовления диода: приплавлением контактов для отвода тока от пластинки из полупроводника, выводов и пр.

Диоды, рассчитанные на малые токи, изготовляют по микросплав­ной технологии. В этом случае на поверхность пластинки из полупровод­ника наносят электролитическим путем тонкую пленку примесного вещества, а затем вплавляют эту примесь в полупроводниковый мате­риал.

При диффузионном методе создания р-n-перехода пластинки из гер­мания или кремния вместе с некоторым количеством примесного мате­риала загружают в ампулы, из которых предварительно откачивают воз­дух. После загрузки ампулы помещают в печь. При повышенной темпе­ратуре внутри ампул создается давление паров примесного материала и атомы примеси начинают диффундировать (внедряться) в полупро­водник. В результате такой обработки вблизи поверхности полупровод­никовой пластинки создается слой с высокой концентрацией атомов примеси, что приводит к изменению типа проводимости основного полупроводника. Между этим слоем и массой основного полупроводни­ка образуется р-n-переход. Дозируя содержание примесей внутри ампулы и продолжительность пребывания ее в печи, можно точно отрегулиро­вать глубину проникновения примесных атомов в материал полупровод­ника. Достоинством диффузионного метода является плавное распреде­ление примесей и однородность р-n-перехода по всей его плоскости. Это позволяет повысить допустимое обратное напряжение и исключает возможность местных недопустимых нагревов при прохождении прямо­го тока. Однотипные диоды, получаемые диффузионным методом, име­ют меньший технологический разброс электрических параметров. Дос­тоинствами сплавного метода является простота выполнения, возмож­ность совмещения нескольких технологических операций при изготовле­нии диода и получение более резких р-п-переходов.

В настоящее время оба метода находят применение. Однако для изготовления мощных диодов преимущественное распространение полу­чил диффузионный метод.

Конструктивное исполнение. Промышленностью выпускается боль­шой ассортимент германиевых и кремниевых диодов.

Существуют диоды выпрямительные, универсального назначения, опорные, импульсные и др.

Кремниевые диоды могут работать при более высоких температурах, чем германиевые (+125 °С и выше); они имеют более высокое обратное напряжение и меньшие обратные токи. Недостатком их является неско­лько большее сопротивление при включении в прямом направлении, а следовательно, большие падения напряжения и потери мощности.

В зависимости от конструктивного исполнения р-n-перехода разли­чают два типа германиевых и кремниевых диодов: плоскостной и точеч­ный.

В точечном диоде р-n-переход образуется в точке касания пластины из полупроводника с острием тонкой металлической иглы (рис. 17, а), при этом прямое направление соответствует прохождению тока от метал­лической иглы к пластине.

У плоскостных диодов (рис. 17, б) выпрямляющими свойствами обладает поверхность раздела двух областей полупроводника с электрон­ной и дырочной проводимостями. Плоскостные диоды имеют большую площадь р-n-перехода, вследствие чего допускают большие токи и обрат­ные напряжения. Они имеют также меньшее падение напряжения в пря­мом направлении, чем точечные диоды.

Точечные диоды благодаря малой площади р-n-перехода имеют не­значительную емкость. Поэтому их применяют для выпрямления токов высокой частоты (главным образом в радиоаппаратуре и автоматике). По той же причине они могут выпрямлять только малые токи (единицы и десятки миллиампер); невелико у них и допустимое рабочее напряже­ние (от 10 до 100 В).

Точечные диоды. Эти диоды (рис. 18) выполнены в виде тонкой пластинки из полупроводника с электронной проводимостью. Пластинку покрывают тонким слоем металла и припаивают к металлическому осно­ванию. В противоположную ее сторону упирается острие тонкой контактной пружины из вольфрамовой проволоки. Острый конец проволоки покрывают слоем индия или алюминия, который является акцепторной примесью и обеспечивает создание около острия области с дырочной проводимостью. Между этой областью и основной массой полупроводни­ка образуется р-n-переход площадью 10—12 мкм². Точечные диоды мон­тируют в стеклянном коваровом или металлическом герметичном корпусе. На концах его установлены коваровые трубки с выводами. Для улучшения выпрямляющих свойств после сборки диоды подвергают электрической формовке путем пропускания импульсов тока. В процес­се формовки происходит частичное расплавление и диффузия атомов индия или алюминия в основной полупроводник.

Плоскостные диоды. В плоскостных диодах основным элементом является пластинка из германия или кремния, в которой методом сплав­ления или диффузии создан плоский по форме р-n-переход. В плоскост­ных германиевых диодах (рис. 19), получаемых сплавным методом, в пластинку из германия с электронной проводимостью вплавляют кап­лю индия. При нагревании индий плавится и диффундирует в основной полупроводник, образуя в нем область с дырочной проводимостью.

На границе между р- и n-областями создается р-n-переход значитель­ной площади. Через него можно без опасности для целости диода пропус­кать гораздо больший ток, чем через точечный диод.

В плоскостных кремниевых диодах (рис. 20) в пластинку из крем­ния с электронной проводимостью вплавляют алюминиевый столбик, который создает область с дырочной проводимостью. Для получения в кремнии сильно легированной зоны с n-проводимостью одну из сторон пластинки перед операцией сплавления покрывают фольгой (или напыляют слой сурьмянистого золота). Полученный таким образом р-п-переход может изменять свои электрические характеристики под влиянием атмосферных воздействий, влаги и загрязнений. Для защиты диода от внешней среды пластинку из полупроводника вместе с припаянными к ней выводами устанавливают в металлический корпус, который затем герметизируют. Корпус защищает также полупроводниковый элемент от механических повреждений и обеспечивает нормальную работу диода в условиях вибраций, тряски и ударов.

В верхней части корпуса монтируют стеклянный изолятор, через который проходит выводная трубка.

Для лучшего отвода тепла в некоторых плоскостных диодах при­меняют специальные охладители, С этой целью используют металлические пластинки из меди или алюминия, металлические платы, на которых крепят диоды или же специальные охладители.

К лассификация и маркировка диодов. Выпускаемые промышлен­ностью диоды классифицируются по назначению, мощности, частоте и другим свойствам. Диоды, рассчитанные на сравнительно небольшие токи (до 10 А), маркируют буквой Д и соответствующим порядковым номером. Полупроводниковые диоды, рассчитанные на большие токи (до 2000 А), часто называют силовыми вентилями (неуправляемыми) и маркируют буквой В (вентиль). Маркировка диодов до 10 А состоит из четырех элементов. Первый элемент — буква (или цифра), обозначаю­щая материал, из которого выполнен диод (Г или 1 - германий, К или 2 - кремний, А или 3 — арсенид галлия). Второй элемент — буква, обозна­чающая тип прибора (Д - диоды, А — сверхвысокочастотные диоды, С — стабилитроны, И — туннельные диоды). Третий элемент — порядко­вый номер разработки прибора, характеризующий его мощность рассея­ния (среднее значение прямого тока). Выпрямительные диоды малой мощности (ток не более 0,3 А) имеют номера разработки от 101 до 199, средней мощности (ток 0,3—10 А) - от 201 до 299, большой мощности (свыше 10 А) — от 301 до 399. Универсальные диоды имеют номера от 401 до 499, а импульсные диоды — от 501 до 599. Четвертый элемент — буква (А, Б, В и т. д.), характеризующая номинальное обратное напря­жение диода. Например, диод КД215А — кремниевый выпрямительный диод средней мощности, а диод ГД110Б — германиевый выпрямитель­ный диод малой мощности.

Силовые диоды. На э.п.с. применяют мощные силовые кремниевые диоды В200, ВЛ200 и ВЛ320 6-го и 8-го классов. Эти диоды рассчитаны на предельный ток 200 или 320 А и повторяющееся напряжение 600 или 800 В. Промышленностью освоен выпуск силовых диодов с предельным током до 2000 А.

При изготовлении диодов в пластину из кремния диффузионным способом вводят с одной стороны акцепторную примесь из бора, а с другой — донорную примесь из фосфора. При высокой температуре ато­мы бора и фосфора начинают диффундировать в кремний и образуют в нем области с дырочной и электронной проводимостями. В результате между двумя слоями полупроводника, насыщенными примесями, обра­зуется р-n-переход. Толщина кремниевой пластины составляет 0,4— 0,5 мм; площадь ее подбирают так, чтобы обеспечить плотность тока 0,5—1 А/мм², В диодах на ток 200 А устанавливают круглую пластину диаметром 25 мм, на ток 320 А — диаметром 28 мм. Обработанная та­ким образом полупроводниковая пластина не может быть непосредст­венно припаяна к основанию корпуса диода из-за большой разницы в температурных коэффициентах линейного расширения кремния и меди, из которой изготовлено основание. Для защиты хрупкого р-n-перехода от тепловых и механических напряжений пластину из кремния припаи­вают с обеих сторон к двум вольфрамовым пластинам, имеющим примерно такой же коэффициент линейного расширения, что и кремний. Выпрямительный элемент диода смонтирован в герметичном корпусе; он защищает переход от проникновения влаги, частичек грязи и пр., которые могут резко ухудшить характеристики вентиля. Вольфрамо­вые пластины выполняют роль температурных компенсаторов между кремниевым и медным основанием корпуса. Они обеспечивают возду­хонепроницаемость корпуса при изменении температуры диода и защи­щают переход от воздействия на него механических усилий.

Выводами диода (рис. 21) являются основание корпуса (катод) и гибкий анодный вывод, который проходит через стальную крышку корпуса и изолирован от нее специальным стеклянным изолятором. Основание корпуса и гибкий вывод припаяны оловянисто-серебряным припоем к вольфрамовым пластинам; ко второму концу гибкого вывода припаивают выводной гибкий шунт с наконечником (анод), Гиб­кое соединение выпрямительного элемента с одним из выводов облегчает сборку диода и не создает механических усилий на р-n-переход.

Для увеличения интенсивности охлаждения диода к его корпусу прикрепляют медный или алюминиевый ребристый охладитель. В основа­нии корпуса имеется стержень с резьбой, который ввертывают в охлади­тель. Диод может пропускать через себя номинальный ток только при наличии охладителя и обдуве его воздухом со скоростью обычно 12 м/с. При таких скоростях исключается засорение охлаждающей системы и затраты мощности на принудительное охлаждение не превышают 0,5 % мощности выпрямительной установки. Диоды с жидкостным охлажде­нием из-за присущих им недостатков (трудоемкий монтаж, ухудшение теплообмена из-за отложения солей, необходимость подогрева охлаждающей системы в зимний период и др.) на электрическом подвижном составе в настоящее время не применяют. Каждый диод имеет маркировку, которая обозначает тип, класс и группу.

Лавинные диоды. На э.п.с. получили широкое применение диоды с контролируемым лавинообразованием, или, как их называют сокращен­но, лавинные вентили (ВЛ — вентиль лавинный).

При воздействии обратного напряжения, превышающего пробивное напряжение U_nроб, происходит резкое увеличение обратного тока. Но этот ток не сосредоточивается в отдельных точках, а распределяется равномерно по поверхности р-n-перехода. В этом случае не происходит местного теплового пробоя, а наступает равномерный лавинный пробой, который представляет собой своеобразный электрический разряд через диод. При таком разряде напряжение на диоде поддерживается на преж­нем уровне, и в р-n-переходе может выделяться энергия, значительно большая, чем в обычных диодах. Следовательно, лавинные вентили спо­собны выдерживать напряжение образования лавины, вследствие чего перенапряжения прикладываются к другим элементам электрической цепи, менее чувствительным к ним.

Основу лавинных диодов составляет кремниевый выпрямительный элемент, заключенный в герметичный корпус. Конструктивное выполне­ние выпрямительного элемента примерно такое же, как и обычного, силового кремниевого диода. Элемент представляет собой круглую кремниевую пластину с проводимостями типов р и п, к которой с двух сторон припаяны термокомпенсирующие вольфрамовые пластины. Электронно-дырочный переход изготовляют путем диффузии алюминия, бора и фосфора в кремний по специальной технологии, которая обеспе­чивает получение более однородного состава кремния с равномерным размещением в нем примесей и структурных дефектов (дислокаций), вследствие чего достигается более равномерное распределение проводимости по всей площади перехода.

При таком выполнении р-n-перехода с ростом обратного тока увели­чивается число локальных участков пробоя (микроплазм), через кото­рые при пробое протекает ток. В результате уменьшается плотность тока микроплазмы на каждом участке и обратный ток не приводит к недопус­тимому тепловому пробою диода. Таким образом, лавинный диод при пробое может рассеивать значительно большую мощность, чем диоды не­лавинные. Так, диоды ВЛ200 допускают рассеяние энергии 1 Вт·с (1 Дж), созданной импульсом тока продолжительностью 100 мкс при частоте повторения импульсов 0,3 Гц.

В кремниевых нелавинных диодах наиболее слабыми местами, где лавинный пробой обычно переходит в тепловой, являются участки р-п-перехода по периметру полупроводникового элемента. На этих участках в кристаллической решетке чаще всего возникают структурные дефек­ты, через которые и проходит в основном обратный ток.

Ч тобы предотвратить возможность такого поверхностного пробоя лавинного диода, его р-n-переходу придают ступенчатую форму(рис. 22, а). Центральную часть перехода получают путем диффузии бора, а наружную (так называемое защитное, или охранное, кольцо) — путем диффузии алюминия. Концентрацию примесей в защитном кольце делают значительно меньшей, чем в центральной части, а толщину диффу­зионного слоя — большей (в области защитного кольца она составляет 120—160 мкм, а в центральной части — 60—80 мкм). В результате про­бивное напряжение для алюминиевого (периферийного) перехода оказы­вается значительно большим, чем для борного (центрального), что практи­чески исключает вероятность поверхностного пробоя диода. Таким обра­зом, в лавинном вентиле при достижении напряжения пробоя основная часть обратного тока определяется лавинным увеличением числа носите­лей электричества в центральной (низковольтной) части р-n-перехода, в которой ток распределяется более или менее равномерно по его по­верхности. Наружное же (высоковольтное) кольцо при этом напряжении оказывается не пробитым, что предотвращает возможность выхода диода из строя.

Энергия, которая рассеивается в кремниевом элементе диода, вызы­вает его разогрев. Поэтому для диода любого типа ограничивается зна­чение энергии, выделяемой при прохождении обратного тока. При следо­вании серии импульсов с определенной частотой допускаемая энергия снижается в том случае, если за промежуток времени между двумя импульсами кремниевая пластина не успевает остыть до начальной темпе­ратуры (температуры корпуса).

В лавинных диодах, выпускаемых отечественной промышленностью, применен керамический корпус 6 (рис. 22, б). Герметичность диода обеспечивается уплотнительным кольцом. Анодом лавинного диода слу­жит основание корпуса, а катодом — гибкий вывод 10 с наконечником.

Выпрямительные установки э.п.с. комплектуются лавинными венти­лями ВЛ200 и ВЛ320. При их применении отпадает необходимость в специальных средствах защиты диодов от перенапряжения и сами диоды могут быть выбраны с меньшим запасом по напряжению по сравнению с нелавинными диодами, имеющими то же напряжение пробоя.

Диоды таблеточной конструкции. Дня повышения рабочего тока диода необходимо улучшать теплоотвод (т. е. улучшать охлаждение полупроводникового элемента), увеличивать площадь р-n-перехода и уменьшать механические напряжения, возникающие в кремниевой пластине в результате теплового расширения при прохождении тока. Все это использовано при создании диодов таблеточной конструкции.

В диоде таблеточной конструкции (рис. 23) выпрямительный эле­мент помещен в металлокерамический корпус 4 между двумя медными основаниями 3 и 7, обладающими повышенной тепло- и электропровод­ностью. В отличие от диодов штыревой конструкции его не припаивают к основаниям, а прижимают к ним через вольфрамовые пластины 2 и 6 при сборке на заводе. Положение выпрямительного элемента (кремние­вой пластины 1) внутри корпуса такого диода фиксируют втулкой 5 из изоляционного материала. Применение прижимных контактов для соединения выводов диода с выпрямительным элементом позволяет уменьшить механические напряжения, возникающие в последнем при резких изменениях температуры. В результате этого, а также благодаря двустороннему отводу тепла от выпрямительного элемента существенно п овышается стойкость диода к перегрузкам. Вентили таблеточной конст­рукции в отличие от вентилей штыревой конструкции не ввинчивают в охладители, а зажимают контактными поверхностями между двумя половинками охладителей.

Половинки охладителей изолированы друг от друга и имеют боль­шую поверхность охлаждения.