ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Основные понятия и определения. П/П Д называется двухэлектродный П/П электропреобразовательный прибор, использующий физические явления в выпрямляющем электрическом переходе и содержащий, как правило, один или несколько таких переходов.
в качестве электрического перехода применяется p-n переход в П/П с одинаковой шириной запрещённой зоны (гомопереход), p-n переход в П/П с различной шириной запрещённой зоны (гетеропереход) или выпрямляющий переход, образованный в результате контакта между металлом и ПП(переход Шоттки). Есть диоды, структура которых не содержит выпрямляющего электрического перехода (диод Ганна), либо содержит два (p-i-n-диоды) или 3 перехода (диодный тиристор или динистор), а также диоды с более сложной структурой переходов (МДМ-, МДП-диоды) [1 – 5].
В диодах с p-n или гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два невыпрямляющих или омических перехода, через которые к p- и n-слоям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, а вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус (рис. 1, а).
Буквами p и n обозначены слои П/П с проводимостью соответственно p-типа и n-типа. Выводы диода наз анодом А (p-слой)и катодом К (n-слой). На УГО направление стрелки диода (анод диода) совпадает с направлением тока (рис. 2).
В диодах с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта между металлом и П/П всего один омический переход (рис.1, б)
П/П Д обладают односторонней проводимостью, которая обусловливается применением П/П структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной p, а другой – электронной n электропроводностью. Такая комбинация ПП слоев с различными типами проводимости обладает способностью гораздо лучше проводить ток в одном направлении (от слоя p к слою n) и гораздо хуже в другом.
Большинство ППД выполняют на основе несимметричных p-n-переходов или переходов металл-полупроводник. Концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Сильнолегированный слой полупроводника, то есть слой, имеющий высокую концентрацию примеси, следовательно, и основных носителей заряда (порядка 1018 см-3), наз эмиттером, а слаболегированный слой, имеющий низкую концентрацию примеси (порядка 1014 – 1016 см-3), наз базой.
Если эмиттером является p-слой, в котором концентрация дырок равна pp, а базой n-слой, в котором концентрация электронов равна nn, то выполняется условие pp >> nn. p-n переход оказывается сдвинутым в область базы. Вследствие низкой концентрации примеси база обладает значительным сопротивлением, то есть является высокоомным слоем. Ширина базы во многих случаях оказывается меньше диффузионной длины дырок.
низкоомный эмиттер "ответственен" за хорошую прямую проводимость, а высокоомная база – за способность выдерживать обратное напряжение. В наиболее быстродействующих диодах – диодах Шоттки – в качестве эмиттера выступает металл.
При полярности внешнего напряжения, при которой происходит понижение потенциального барьера в p-n-переходе (UАК > 0), то есть при прямом направлении для p-n-перехода (диод открыт), количество носителей заряда, инжектированных из сильнолегированного в слаболегированный слой, значительно больше, чем количество носителей, проходящих в противоположном направлении. Таким образом, при прямом напряжении происходит инжекция в базу неосновных для неё носителей заряда.
Если к ППД приложено внешнее напряжение, при котором происходит повышение потенциального барьера в p-n-переходе (UАК < 0), то есть в обратном направлении для p-n-перехода (диод заперт), то в основном будет происходить экстракция из базы неосновных для неё носителей заряда. При этом обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.
4. Классификация полупроводниковых диодов. П/П Д как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником, то есть электронным прибором с двумя внешними выводами и нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Он выполняет функцию преобразования сигналов (выпрямление, детектирование, умножение частоты, преобразование световой энергии в электрическую и др.).
Большинство типов диодов имеют качественно сходные вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, временные диаграммы токов и напряжений при переключении и т.д. В основе модели диода лежит модель p-n-перехода или перехода металл-полупроводник (где надо исключить диффузионную ёмкость).
В основу классификации полупроводниковых диодов могут быть положены следующие признаки:
-конструктивно-технологические особенности изготовления электрического перехода: точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, эпитаксиальные, диоды Шоттки и др.;
-вид электрического перехода – в зависимости от соотношения между шириной обеднённого слоя перехода и его периметром диоды подразделяются на точечные (ширина перехода больше его периметра), микросплавные (ширина перехода больше его периметра, но не втакой степени, как у точечных) и плоскостные (ширина перехода меньше его периметра);
-применяемый исходный полупроводниковый материал: германий Ge, кремний Si, селен Se,арсенид галлия GaAs,карбид кремния и др.;
-физические процессы, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролётные и др.;
-характер преобразования энергии сигнала: светодиоды, фотодиоды и др.;
-функциональное назначение: выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключательные, умножительные, параметрические и др.;
-частотный диапазон: низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона и др.;
-мощность рассеяния: маломощные, средней мощности и мощные;
-конструктивное оформление: стеклянные, металлические, метало-керамические, пластмассовые и др.
Диоды различного назначения отл друг от друга следующим:
-ПП структурой, то есть типом электрического перехода (p-n, контакт металл-полупроводник, гетеропереход), его площадью и формой (плоский, полусферический и др.), распределением концентраций примесей (ступенчатое, линейное и др.), значением электрофизических параметров полупроводниковых областей (подвижность, время жизни носителей заряда и др.);
-режимом работы перехода (прямое или обратное напряжение, малый гар-монический или большой импульсный сигнал и т.п.);
- конструкцией корпуса (размеры, форма, материал, конструкция выводов);
-диоды различаются системой параметров, приводимых в справочниках. Параметры делятся на электрические и предельные эксплуатационные..
Под предельными эксплуатационными параметрами понимают максимально допустимые токи, напряжения, рассеиваемую мощность, температуру и др величины. Общим для большинства диодов являются следующие максимально допустимые параметры:
-прямой ток – постоянный или импульсный (при заданной длительности и скважности импульсов), либо среднее значение за период переменного сигнала;
обратное напряжение (постоянное или импульсное);
рассеиваемая мощность (средняя или импульсная);
температура корпуса.
Точечные, сплавные и микросплавные диоды.
У точечных диодов p-n переход образован контактом заостренной металлической иглы, например из сплава вольфрама с молибденом, с ПП кристаллом кремния, германия, арсенидо-галлия и др материалов. Свойства окружаю-щей среды, чистота поверхности кристалла и механические условия контактирования определяют в значительной мере электрические параметры диодов и его ВАХ. Слой p-типа образуется в кристалле ПП в результате термодиффузии акцепторных примесей (например, индия или алюминия в германий n-типа) с конца металлической иглы, возникающей под воздействием больших импульсов тока, пропускаемых через контакт. Линейные размеры перехода точеч-ного диода соизмеримы с толщиной его обедненной области. Площадь контакта менее 50 мкм², поэтому емкость перехода мала, а прямые токи через переход не превышают десятков миллиампер. Область p-типа под контактом геометрически неоднородна, и обычно в ней сосредоточено наибольшее количество дефектов кристаллической структуры. Сильное электрическое поле в области контакта способствует появлению значительных токов утечки и генерации.
Структура P-N перехода сплавных диодов образуется вплавлением в кристалл ПП n-типа сплава с акцепторной примесью, например индия в германий, алюминия в кремний и т. п. В кристалле ПП n-типа подвижность электронов в 2 - 2,5 раза больше, чем дырок в p-ПП. при одинаковой электропроводности ПП p- и n-типа концентрацию доноров в кристалле – базе диода можно уменьшить и тем самым повысить пробивное напряжение перехода. Этим обусловлен выбор в диодах в качестве базы кристалла ПП с электронной проводимостью. При изготовлении кремниевых сплавных диодов, в кремний вплавляется тонкая алюминиевая проволока при температуре 600-700ºС. В месте сплава формируется тонкий обогащенный алюминием рекристаллизованный слой кремния с той же кристаллической структурой, что и исходный ПП, но с проводимостью p-типа. Между рекристаллизованным слоем (толщиной в несколько микрометров) и монокристаллом возникает p-n-переход, граница которого указана на рисунке штриховой линией.
P-N переходы сплавных диодов – резкие или ступенчатые. Они пропускают прямые токи до десятков ампер. Из-за большой площади переходов их емкости относительно велики. У микросплавных диодов несколько больший по площади p-n-переход, чем у точечных. Электрический переход микросплавных диодов с золотой связкой формируется методом микровплавления в кристалл германия тонкой золотой проволочки с присадкой галлия на конце. Под контактом образуется рекристаллизованный слой германия p-типа (p-n-переход показан штриховой линией). В данном случае используется метод импульсной сварки: через контакт пропускается импульс тока большой амплитуды. Иногда диоды подобного типа называют сварными.
Полупроводниковые диоды. Основные понятия и определения. Диффузионные, меза- и эпитаксиальные диоды
У диффузионных диодов электрический переход изготавливается методом общей или локальной диффузии донорных и акцепторных примесей в кристалл ПП. Диффузию можно проводить однократно и многократно. Например, структура электрического перехода кремниевого диода p+-p-n-n+-типа изготавливается методом общей многократной диффузии. Область p-типа формируется диффузией акцепторной примеси – алюминия в кремниевую пластину n-типа, а область n+-типа – диффузией в эту же пластину фосфора – донорной примеси. Для образования p+-области проводится вторая диффузия бора в p-область. Омические контакты с p+- и n+-областью структуры изго-тавливают хим осаждением никеля и последующим галь-ваническим золочением.
При изготовлении германиевых диффузионных диодов выбирается пластина германия p-типа, т.к. донорные примеси по сравнению с акцепторными лучше диффундируют в германий. В качестве диффузанта используется сурьма. Для формирования омического контакта с n-областью диффузионной структуры применяется оловянный припой с присадкой сурьмы. Омический контакт с p-областью германия образует вплавленный в эту область индий.
Для уменьшения емкости p-n-перехода в высокочастотных диффузионных диодах используется мезаструктура, получаемая 
методом глубокого хим травления. В результате первой общей диффузии создается n+-Si-слой в кристалле n-типа. После второй общей диффузии, формирующей p-слой в кристалле кремния, образования омического контакта и защиты отдельных участков кристалла через маску осуществляется травление поверхности его незащищенных участков. В результате p-n-переход остается только на небольших участках кристалла под омическим контактом. Участки возвышаются над поверхностью кристалла в виде стола (меза – по испански). Диаметр p-n-перехода после травления уменьшается до нескольких десятков микрометров. Емкость p-n-переходов мезадиодов ниже, а напряжение пробоя выше, чем у сплавных и микросплавных диодов.
При диффузии получается неравномерное распределение примесей вдоль координаты, перпендикулярной поверхности кристалла. Концентрация диффузанта с глубиной падает, поэтому у диффузионных диодов с плоскостным и сплавным p-n-переходом в базе появляется тормозящее электрическое поле.
Эпитаксиальные (планарные, эпитаксиально-планарные) 
диоды изготавливаются с использованием процесса эпитаксии и локальной диффузии.
Эпитаксией наз процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, используемую как несущая конструкция структуры. В наращиваемом слое сохраняется кристаллическая ориентация подложки. Эпитаксия позволяет выращивать слои любого типа проводимости и удельного сопротивления толщиной в несколько микрометров. Однако p-n-переход создается в большинстве случаев диффузией примесных атомов в эпитаксиальный слой через окно в маске (например, из оксида кремния SiO²). Омические контакты с p+- и n+-областями кристалла создаются операциями металлизации. В кремниевых диодах для создания омических контактов широко используется алюминий.
Планарно-эпитаксиальные диоды, диоды с барьером Шоттки, ионно-лучевые методы изготовления электрического перехода диода.
Планарные имеют «поверхностную» структуру, а выводы контак 
тирующих областей электрического перехода расположены в одной плоскости. Электрический переход создан в поверхностном слое кристалла толщиной порядка единиц и десятков микрометров от его поверхности. При изготовлении структуры на подложку кремния n-типа наращивается эпитаксиальный слой n-типа. Затем, через окна защитной маски из оксида кремния в нем формируются несколько p+-областей диффузией бора, после чего осуществляется металлизация выводов от общей базовой и эмиттерных областей. Таким образом изготовляется диодная матричная планарно-эпитаксиальная структура.
ионно-лучевые методы изготовления электрического перехода диода. 
При ионной имплантации легирование пластиныПП осуществляется бомбардировкой примесными ионами, ускоренными до высоких энергий. Концентрация примесей в имплантированном слое зависит от плотности тока в ионном луче и времени экспозиции. Высокая контролируемость процесса и низкая температура позволяют проводить ионную имплантацию на любой стадии процесса изготовления диода. Глубина проникновения ионов в ПП зависит от их энергии. На подложке кремния n+-типа выращен эпитаксиальный n-слой, в котором ионной имплантацией создана p+-область. Омические контакты получены химическим осаждением титана, никеля на ПП пластину с обеих сторон.
Диоды с барьером Шотки изготавливаются напылением металла на очищенную поверхность кристалла в вакуумной среде, хим осаждением металла на ППьили с помощью высокочастотного ионного распыления металла. В качестве подложки используется кремний, арсенид галлия. Электрические свойства перехода зависят от подобранной пары металл-полупроводник. В качестве контактирующего металла выпрямляющего перехода применяют алюминий, золото, молибден и др.
Кроме рассмотренных структур плоскостных диодов широко используются комбинированные структуры: эпитаксиально-диф-фузионные, диффузионно-сплавные, меза-сплавные и др.