Полупроводниковые диоды на основе p - n - переходов и барьеров Шоттки Доклад выполнили: Студенты гр , Гончарова Е. Е., Зинько М. В.

Полупроводниковыми диодами называются двухэлектродные полупроводниковые приборы с одним выпрямляющим электрическим переходом, в роли которого может выступать p n - переход, гетеропереход или выпрямляющий контакт полупроводника с металлом (барьер Шоттки). В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт - амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Введение

Электронные процессы U=0 U0 (прямое включение)

Для изготовления p – n - перехода чаще всего используют сплавление и диффузию (см.рисунок). Сплавная технология используется, как правило, для дешевых диодов малой и средней мощности. Основное распространение получила диффузионная технология. Для изготовлении планарных диодов в интегральных схемах используется диффузия сквозь окна в слое окисла кремния (SiO2 ).

ВАХ идеального диода ВАХ диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке. В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей.

Уравнение ВАХ Данная нелинейная ВАХ описывается следующим уравнением: В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Выпрямление в диоде Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе pn перехода является резкая асимметрия ВАХ: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

Коэффициент выпрямления ИД Как следует из соотношения, при значениях переменного напряжения, модуль которого Vg меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях Vg по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре (Т = 300 К) соответствует значению напряжения Vg = 0,1 В., где β=q/kT

Характеристическое сопротивление r D Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление r D и сопротивление по постоянному току R D. Дифференциальное сопротивление определяется как На прямом участке вольт - амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r D невелико и составляет значение несколько Ом. На обратном участке вольт - амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r D стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Характеристическое сопротивление R D Сопротивление по постоянному току R D определяется как отношение приложенного напряжения Vg к протекающему току I через диод: На прямом участке вольт - амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление R D > r D, а на обратном участке - меньше R D < r D. В точке вблизи нулевого значения напряжения Vg

Эквивалентная схема диода С учетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот. В этом случае наряду с уже описанными элементами - дифференциальным сопротивлением и емкостями диода необходимо учесть омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (r об ) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более сильно, чем база.

Диоды Шоттки Полупроводниковый диод, выполненный на основе контакта металл полупроводник; назван в честь немецкого учёного В. Шоттки, создавшего в основы теории таких диодов. При изготовлении таких диодов на очищенную поверхность полупроводникового кристалла (Si, GaAs, реже Ge) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения. В ДШ (в приконтактной области полупроводника), как и в диодах с электронно-дырочным переходом (в области этого перехода), возникает потенциальный барьер, изменение высоты которого под действием внешнего напряжения приводит к изменению тока через прибор. Ток через контакт металл полупроводник, в отличие от тока через электронно-дырочный переход, обусловлен только основными носителями заряда.

Условие возникновения барьера Шоттки Ф ме > Ф п/п Согласно уравнению Ричардсона: J ме < J п/п

Зонная диаграмма образования БШ

ВАХ барьера Шоттки J п/п = ¼ qnsυ о exp(β Vg ), где Ток из полупроводника в металл Ток из полупроводника в металл: Ток из металла в полупроводник: Следовательно, ВАХ барьера Шоттки будет иметь вид:

Достоинства - В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,60,7 В., применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,20,4 В. - Барьер Шоттки имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту. - Благодаря лучшим временным характеристикам и малым ёмкостям перехода, выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в традиционных трансформаторных блоках питания аналоговой аппаратуры.

Недостатки - При кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя, в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя. - Характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла.