Рассмотрим характеристику отдельных видов полупроводниковых диодов.

Стабилитрон (диод Зенера) предназначен для использования в параметрических стабилизаторах напряжения (рис. 1.5). Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок обратной её ветви, соответствующий области обратного электрического пробоя р-n-перехода (рис. 1.6) и ограниченный минимальным и максимальным значениями тока.

При работе в этой области обратное напряжение на стабилитроне U_cm незначительно изменяется при относительно больших изменениях тока стабилитрона I_ст.

При прямом включении стабилитрон может рассматриваться как обычный диод, однако в связи с повышенной концентрацией примесей напряжение U_np ~ 0,3...0,4 В мало изменяется при значительных изменениях прямого тока I_пр.

Стабистор. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.

Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки). Диоды, использующие туннельный эффект.

Тунне́льный эффект, туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.

Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике.

Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение.

Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.

Туннельным диодом называют полупроводниковый прибор, который сконструирован на основе вырожденного полупроводника (т.е. полупроводника с большим содержанием примеси), в котором при обратном и небольшом прямом напряжении возникает туннельный эффект и вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Устройство туннельных диодов в принципе почти не сличается от устройства других диодов, но для их изготовления применяют полупроводниковые материалы с большим содержанием примесей (до 10 20 см −3 ). Вследствие этого удельные сопротивления областей р- и n- типов очень малы, а ширина р-n-перехода составляет примерно 0,02 мкм, что в сто раз меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Напряженность электрического поля в таких р-n-переходах достигает огромной величины - до 10 6 В/см.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его условное обозначение в схемах показаны соответственно на рисунке 3.6. Рассмотрим с помощью зонной теории вид вольт-амперной характеристики. В равновесном состоянии системы уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового диода. Поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна свободной зоны области n-типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны области р-типа, и так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в другую без затраты энергии, просачиваться сквозь потенциальный барьер (туннелировать).

При подключении к диоду прямого напряжения потенциальный барьер с ростом напряжения уменьшится. При подаче на туннельный диод обратного напряжения обратный туннельный ток будет резко возрастать. Обратный ток у туннельных диодов во много раз больше, чем у других диодов, поэтому они не обладают вентильным свойством.

Основными параметрами туннельных диодов являются: максимальные Imax и минимальные Imin значения токов на вольтамперной характеристике и соответствующие им напряжения, соответствующее максимальному току в точке а, а также дифференциальное сопротивление Rдиф = -dU/dI, которое определяется примерно на середине участка с отрицательным сопротивлением; общая емкость диода и максимальная частота.

Туннельные диоды обладают усилительными свойствами и могут работать в схемах как активные элементы. Они находят широкое применение в сверхбыстродействующих ЭВМ в качестве быстродействующих импульсных переключающих устройств (скорость переключения составляет доли наносекунды) и в генераторах высокочастотных колебаний.

На туннельных диодах создают схемы мультивибраторов, триггеров, которые служат основой для построения логических схем, запоминающих устройств, регистров и т.д.

Высокая скорость переключения объясняется тем, что туннельные диоды обычно работают на участке вольтамперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, где механизм переноса зарядов связан с их туннельным смещением (через р-n-переход), скорость которого огромна.

Туннельные диоды могут работать в широком диапазоне температур от 4 до 640 К. Они просты по конструкции, малогабаритны. Туннельные диоды изготовляют на основе сильнолегированного германия или арсенида галлия, р-n-переход получают методом вплавления примесей.

На вольт-амперной характеристике имеют область т. н. «отрицательного сопротивления»:

R_д=-dU/dI.

Отношение токов I_max / I_min = 5...10. Это свойство диодов Ганна используют при разработке усилителей, генераторов синусоидальных и релаксационных колебаний, в переключающих устройствах с частотами от 100 МГц до 10 ГГц.

Применяются как усилители, генераторы и пр.

Варикапы - это полупроводниковые диоды, предназначенные для использования их ёмкости, управляемой обратным напряжением U_обр (рис. 1.7).

В качестве варикапов используют диоды при обратном постоянном смещении, когда проявляется только барьерная ёмкость.

Барьерная ёмкость проявляется при приложении к р-n-переходу обратного изменяющегося во времени напряжения. При этом через р-n-переход протекает ток. Та доля тока (ток смещения), которая не связана с движением носителей заряда через p-n-переход, и определяет барьерную ёмкость (появление тока смещения связано с изменением объёмного заряда)

Варикапы применяют в качестве конденсаторов переменной ёмкости в основном в устройствах высоких и сверхвысоких частот, например, для настройки колебательных контуров.

В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в инфракрасном диапазоне, а с недавних пор - и в ультрафиолетовом.

Светодиоды(диоды Генри Раунда) - это излучающие полупроводниковые приборы (индикаторы), предназначенные для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного («несогласованного») светового излучения.

Когере́нтность (от лат. cohaerens — «находящийся в связи») — согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.

Классический пример двух когерентных колебаний — это два синусоидальных колебания одинаковой частоты.

В основе принципа функционирования светодиодов лежит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение, спектр которого полностью или частично лежит в видимой области, диапазон длин волн которой составляет 0,45...0,68 мкм.

Светодиодная структура представляет собой р-n-переход, в котором при протекании прямого тока в несколько миллиампер в обеих областях перехода происходит рекомбинация инжектированных электронов и дырок. Инжектирование электронов преобразуется в световую энергию.

Максимальное значение энергии, которое может выделиться при рекомбинации, равно ширине запрещённой зоны данного полупроводника. В полупроводниковых материалах с шириной запрещённой зоны менее 1,8 эВ может возбуждаться излучение с длиной волны более 0,7 мкм, которое лежит за пределами диапазона длин волн видимого света. Поэтому основными полупроводниковыми материалами, применяемыми для изготовления серийных светодиодов, являются фосфид галлия (GaP), твёрдые растворы (GaAsP, GaAlP) и карбид кремния (SiC) с шириной запрещённой зоны более 2 эВ.

Условное изображение и яркостная характеристика В(I_пр) светодиода, где В — яркость света в канделах, приведены на рис. 1.10.

Полупроводниковые лазеры по устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный (направленный) свет.

Фотодиод — это диод, обратный ток которого зависит от освещенности Ф (рис. 1.11, а).

При поглощении квантов света в р-n-переходе или в прилегающих к нему областях кристалла полупроводника образуются новые носители заряда (пары электрон-дырка), поэтому обратный ток (фототок) через фотодиод при освещении возрастает. С увеличением светового потока Ф сопротивление перехода уменьшается (рис. 1.11, б).

Фоторезисторы

Приборы, предназначенные для использования этого явления, называют фоторезисторами, а транзисторы и тиристоры, реагирующие на эффект облучения световым потоком и способные одновременно усиливать фототок, называют соответственно фототранзисторами и фототиристорами

Диодные оптроны — это приборы, состоящие из оптически связанных между собой элементов оптронной пары (управляемого светодиода и принимающего излучение фотодиода) и предназначенные для выполнения функциональных электрических и оптических преобразований.

На рис. 1.12, а изображена схема диодного оптрона с внутренней прямой оптической связью. Изменение входного тока I_вх через светодиод сопровождается изменением яркости его свечения и изменением освещенности фотодиода, что приводит к уменьшению сопротивления фотодиода и соответственно к увеличению тока I_вых через выход оптрона (рис. 1.12, б).

Важным свойством такого оптрона является полная электрическая развязка входа и выхода прибора, что исключает обратную электрическую связь с его выхода на вход.

Солнечный элемент подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.

Лавинно-пролётный диод. Диод, работающий за счёт лавинного пробоя.

Лавинно-пролетный диод основан на лавинном умножении носителей заряда.

На вольт-амперной характеристике лавинно-пролетного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ.

Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

Действие прибора основано на магнитодиодном эффекте.

Под действием магнитного поля происходит закручивание движущихся носителей в p-n-переходе. Их подвижность уменьшается, следовательно, увеличивается сопротивление p-n-перехода. Это и есть магнитодиодный эффект.

Магнитодиоды используются для определения величины напряжённости и направления магнитного поля.

Интересные факты

Диоды могут использоваться как датчики температуры.

Диоды в прозрачном стеклянном корпусе (в том числе и современные SMD-варианты) могут обладать паразитной чувствительностью к свету (то есть радиоэлектронное устройство работает по-разному в корпусе и без корпуса, на свету).

Американским учёным из университета штата Аризона удалось создать диод, состоящий всего из одной молекулы.^[4]

Японским учёным удалось создать тепловой диод — устройство, способное пропускать тепло только в одном направлении.^[5]

Выпрямительные и детектирующие диоды

Диод Шоттки (также правильно Шотки) — это полупроводниковый прибор, в котором используется свойства потенциального барьера (барьера Шоттки) на контакте металл — полупроводник

Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки.

Условное обозначение диода Шоттки по ГОСТ 2.730-73

Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n-перехода, как у обычных диодов).

При изготовлении Шотки диод на очищенную поверхность полупроводникового кристалла (Si, GaAs, реже Ge) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами:

вакуумного испарения;

катодного распыления;

химического или электролитического осаждения.

Структура детекторного диода Шотки :

Ток через контакт металл-полупроводник, в отличие от тока через электронно-дырочный переход, обусловлен только основными носителями заряда. Поэтому в рассматриваемых диодах из-за разной высоты потенциальных барьеров для электронов и дырок нет инжекции неосновных носителей заряда, нет и таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе.