Полупроводниковый диод
Полупроводнико́вый дио́д, двухэлектродный электронный прибор, изготовленный на основе полупроводникового кристалла; разновидность полупроводникового прибора. Понятие «полупроводниковый диод» объединяет приборы с различными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Действие полупроводникового диода обусловлено свойствами либо электронно-дырочного перехода, либо контакта металл – полупроводник (диоды Шоттки), либо объёмным эффектом доменной неустойчивости однородного полупроводника (диоды с междолинным переходом электронов).
Полупроводниковые диоды, работа которых основана на использовании р–n-перехода, получили наибольшее распространение. Если к p–n-переходу диода приложить напряжение в прямом направлении, когда положительный полюс источника питания соединяется с областью р-типа, а отрицательный – с областью n-типа, то потенциальный барьер перехода понижается и через диод протекает большой прямой ток. При подаче напряжения обратной полярности потенциальный барьер повышается и через p–n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). Вольт-амперная характеристика полупроводниковой структуры с p–n-переходом является несимметричной. На этом свойстве основана работа выпрямительных полупроводниковых диодов, предназначенных для преобразования переменного тока (с частотой, как правило, до 5 кГц) в постоянный ток. Частотный предел выпрямительного полупроводникового диода ограничен инерционностью, определяемой временем жизни неосновных носителей заряда. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей выпускают выпрямительные полупроводниковые диоды, имеющие допустимый выпрямленный ток до 300 А и максимальное допустимое обратное напряжение Uобр до нескольких киловольт. Для повышения Uобр до нескольких десятков киловольт используют выпрямительные столбы.
Легирование полупроводников примесями (в основном золотом) позволило существенно уменьшить время жизни носителей заряда и создать быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды (со временем переключения 10–7–10–10 с), предназначенные главным образом для работы в режиме переключения электрических цепей.
При определённых обратных (т. н. пробивных) напряжениях в p–n-переходе возникает электрический пробой, приводящий к резкому возрастанию тока при практически неизменном напряжении на полупроводниковом диоде. На этом эффекте основана работа полупроводниковых стабилитронов, применяемых главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения, в качестве источника опорного напряжения и в потенциометрических устройствах.
Инерционность развития лавинного пробоя в p–n-переходе обусловливает возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в диапазоне СВЧ, связанного со сдвигом фаз между током и напряжением в диоде. Этот принцип лежит в основе работы лавинно-пролётных диодов, применяемых для генерации СВЧ-колебаний, частотный предел которых достигает 150 ГГц. Лавинный пробой p–n-перехода сопровождается значительными флуктуациями, приводящими к большой величине шума, что используется в шумовых диодах.
Полупроводниковый переход при подаче обратного напряжения (не превышающего Uобр) ведёт себя как конденсатор, ёмкость СБ которого зависит от приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых для электронной перестройки резонансных частот колебательных контуров, в параметрических СВЧ-диодах, служащих для усиления амплитуды сигнала, в умножительных СВЧ-диодах – для умножения частоты сигнала. Полупроводниковые СВЧ-диоды, служащие для детектирования и преобразования электрических сигналов в СВЧ-диапазоне (детекторные СВЧ-диоды, смесительные СВЧ-диоды и др.), обычно монтируют непосредственно в волноводных системах, что предъявляет определённые требования к конструктивному оформлению таких диодов, а также к выбору структуры и геометрии полупроводникового кристалла. В большинстве случаев они представляют собой точечные диоды с выпрямляющим контактом металл – полупроводник. Уменьшение площади p–n-перехода и использование структуры с барьером Шоттки обеспечивают малое значение ёмкости СБ таких полупроводниковых диодов. Для получения низкого сопротивления базы rб (основной источник активных потерь) обычно на исходную полупроводниковую пластинку с малым удельным сопротивлением (подложку) наносят тонкий слой высокоомного полупроводника методом эпитаксиального наращивания. Для управления уровнем мощности в линиях передачи СВЧ применяются переключательные СВЧ-диоды, работа которых основана на резком изменении их электрического сопротивления при изменении полярности подводимого напряжения, а также ограничительные диоды.
К полупроводниковым СВЧ-диодам относят также туннельные диоды и обращённые диоды, действие которых основано на туннельном эффекте, возникающем в p–n-переходе шириной не более 10–2 мкм. Практическая безынерционность этих приборов в диапазоне СВЧ обеспечивает успешную работу туннельных диодов в быстродействующих импульсных устройствах (мультивибраторах, триггерах и др.), в усилителях и генераторах электрических колебаний, а обращённых диодов – в качестве детекторов и смесителей СВЧ-сигнала.
Особую группу полупроводниковых диодов (не содержащих p–n-перехода) составляют диоды с междолинным переходом электронов (диоды Ганна), в которых благодаря особенностям зонной структуры определённого класса полупроводников (главным образом GaAs, InP) в сильном электрическом поле возникает отрицательная дифференциальная проводимость. Диоды Ганна используются для усиления и генерации СВЧ-колебаний с частотой до 100 ГГц.
Свойство фотонов и ядерных частиц образовывать электронно-дырочные пары и увеличивать тем самым обратный ток p–n-перехода при поглощении излучения в активной области полупроводникового кристалла, непосредственно примыкающей к переходу, положено в основу фотодиодов и полупроводниковых детекторов ядерных излучений. Оптимальной для данного типа диодов является p–i–n-структура, характеристики которой во многом сходны с характеристиками p–n-перехода. Излучательная рекомбинация электронов и дырок в условиях протекания через p–n-переход прямого тока, характерная для некоторых полупроводниковых структур, используется в излучающих диодах и полупроводниковых лазерах, которые также могут быть отнесены к полупроводниковым диодам. Спектр излучения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника, а кроме того, легирующими примесями, образующими излучательные центры рекомбинации.
К полупроводниковым диодам относят также неуправляемую четырёхслойную p–n–p–n-структуру; такие приборы называются динисторами.
Для изготовления полупроводниковых диодов широко применяют планарную технологию, при этом получили распространение различные технологические методы (сплавление, диффузия, эпитаксиальное наращивание и др.). В качестве полупроводниковых материалов используют главным образом кремний и германий, полупроводники группы АⅢ–ВⅤ (например, GaAs, GaP, InP) и их твёрдые растворы‚ в качестве контактных материалов – золото, алюминий, олово, никель, медь. Для защиты полупроводникового кристалла полупроводниковый диод обычно помещают в металлостеклянный, металлокерамический‚ стеклянный или пластмассовый корпус.
С развитием полупроводниковой электроники совершился переход к производству (наряду с дискретными полупроводниковыми диодами) диодных структур в полупроводниковых монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах.
От своих электровакуумных аналогов (например, кенотрона, газоразрядного стабилитрона) полупроводниковые диоды отличаются, как правило, значительно большей надёжностью и долговечностью, меньшими габаритными размерами и массой, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей. Полупроводниковые диоды применяются в радиоэлектронике, электротехнике, вычислительной технике и автоматике; используются в устройствах передачи и отображения информации и др.