Високочастотні діоди

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

Описані вище властивості електронно-діркових переходів знаходять практичне застосування у напівпровідникових діодах. Напівпровідниковим діодом називається електронний прилад з двома виводами, який містить один p-n перехід.

З усіх розглянутих вище властивостей p-n переходу найбільш істотним, безумовно, є його одностороння провідність, яка обумовлює можливість проходження струму через діод тільки у одному напрямі. Саме ця властивість знаходить широке застосування для випрямлення електричного струму, тобто перетворення змінного струму в постійний.

Випрямляючі діоди

Для випрямлення струму використовуються германиєві або кремнійові площинні діоди, у яких розміри площі p-n контакту набагато більші від товщини збідненого шару і глибині, на яку здатні проникнути за рахунок дифузії інжектовані у базу неосновні носії. Значна площа контакту забезпечує можливість проходження через такі діоди досить великих струмів.

Типові вольтамперні характеристики для германійового (1) та кренмнійового (2) випрямляючих діодів зображені на рис.2.1. Області прямого та зворотного струмів і напруг зображені тут у різних масштабах.

Для германійових діодів істотний прямий струм починається практично з напруги U^*_Ge @ 0.1 - 0.2 B, а у кремнійових з U^*_Si @ 0.6 - 0.7 B. При U>U* струм швидко зростає, досягаючи номінальної величини при напрузі порядку 0.5-1.0 вольта. При напрузі 0<U<U* прямий струм, хоча і існує, але він набагато менший від номінального і його існуванням можна нехтувати. Зворотний стум у германійових діодах на 2 - 3 порядки, а у кремнійових на 3 - 4 порядки менший за прямий номінальний струм.

Загин вольтамперної характеристики зворотного струму для германійового діода вказує на наближення до режиму пробою. Максимальна зворотна напруга, яку спроможні витримати випрямляючі діоди, складає звичайно кілька сотень вольт і не перевищує 1кВ.

Для роботі з більшими напругами діоди можна з’єднувати послідовно, шунтуючи їх, однак, досить великими однаковими опорами, щоб гарантувати рівномірність розподілу зворотної напруги. Іноді послідовно увімкнені діоди об’єднують в одному корпусі (разом з шунтуючими опорами) і утворюють так звані випрямляючі стовпи або блоки.

Кремнійові діоди більш стійкі до підвищення температури і можуть успішно працювати до 120 - 130^ОС, тоді як температурна межа для германійових діодів складає лише 70 - 80^ОС. Звідсі випливає, що германійові діоди доцільно використовувати для випрямлення сильних струмів малої напруги, тоді як кремнійові, діоди, для яких характерні порівняно великий спад напруги у прямому режимі, але більша стійкість до зворотної напруги, більш придатні для випрямлення невеликий струмів високої напруги.

Основні практичні параметри випрямляючих діодів такі:

І_{пр max} - гранично допустимий середній прямий струм [1];

U_{звор max} - гранично допустима зворотна напруга;

U_пр - постійна пряма напруга на діоді при номінальній величині струму;

І_{звор max} - зворотний струм при гранично допустимій зворотній напрузі;

Т_{max -} гранично допустима температура навколишнього середовища.

На основі цих параметрів робиться вибір типу діода для роботи в приладах для випрямлення струму.

Діоди Шотткі

На основі p-n переходів будується більшість випрямляючих діодів. Разом з тим все більше зростає інтерес до діодів, у яких використовується контакт металу з напівпровідником. Такий контакт був вперше вивчений німецьким фізиком Шотткі і тому дістав назву переходу Шотткі. А діоди засновані на використанні такого переходу - назву діодів Шотткі.

Ми не будемо розглядати фізику роботи такого переходу, бо вона є досить складною і потребує застосуванні зонної теорії напівпровідників. Це не є предметом нашого курсу , а тому ми обмежимося лише вказівками на деякі властивості таких переходів, що мають істотне значення для їх практичного застосування.

Ось основні відмінності переходів Шотткі порівняно зі знайомими нам p-n переходами:

1) При роботі перехода Шотткі у режимі відкритої полярності у напівпровідник не інжектуються неосновні носії. Тому в ньому не утворюється об’ємний заряд неосновних носіїв, відсутня дифузійна ємність і отже усі пов’язані з цим інерційні ефекти. Тому інерційність діодів Шотткі визначається лише бар’єрною ємністю і набагато менша від інерційності діодів з p-n переходами.

2) Вольтамперна характеристика переходу Шотткі для прямого струму починається практично з нуля (U* @ 0) і іде стрімко вверх. Тому спад напруги для прямого струму на переході Шотткі невеликий і складає лише декілька десятих вольта. Отже і омічне нагрівання таких переходів виявляється меншим, аніж у p-n переходів. До того ж оскільки один з електродів переходу Шотткі є металом, тут можна створити краще відведення тепла і працювати з великим густинами струму.

Отже по цілому ряду властивостей переходи Шотткі і побудовані на їх основі випрямляючі діоди мають певні переваги порівняно з діодами на p-n переходах. Але технологія виготовлення діодів Шотткі складніша, вони дорожчі і тому застосовуються лише там, де їх високі якості дійсно потрібні.

Високочастотні діоди

Однією з таких областей, де діоди Шотткі знайшли широкого застосування, є високочастотні діоди для випрямлення (детектування) сигналів з частотами вищим від 1 ГГц.

Спершу такі діоди являли собою просто контакт металевого вістря (пружинки) з поверхнею напівпровідника (рис.2.2). Пропусканням імпульсу сильного струму вістря приварювалося до напівпровідника.

Сучасні високочастотні діоди Шотткі виготовляються шляхом напилювання металевої плівки на поверхню кристалу з арсеніду галію. Площа таких контактів для ВЧ - діодів складає лише кілька квадратних мікрометрів і бар’єрна ємність таких контактів є дуже малою.

Але і величина струму, який може бути випрямлений таким контактом, також мала і не перевищує кількох міліамперів. Подібні діоди успішно працюють до частот порядку сотень ГГц, тобто аж до субміліметрового діапазону і являють єдиний спосіб обробки таких сигналів.