П/п приборы
п/п -материал,удельная проводимость которого сильно зависит от внешних факторов –кол-ва примесей, температуры, внешнего эл.поля, излучения, свет, деформация
Достоинства: высокая надежность, большой срок службы, экономичность, дешевизна.
Недостатки: зависимость от температуры, чувствительность к ионизирован излучению.
На основе использования свойств р-n перехода в настоящее время создано множество различных типов полупроводниковых диодов.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. По величине выпрямленного тока выпрямительные диоды малой(Iпр 10 А) и большой (Iпр >10A) мощности. Для создания выпрямительных диодов применяются плоскостные p-n-переходы, полученные сплавлением и диффузией. Высокие значения Iпр обеспечиваются использованием p-n-переходов с большой площадью.
Большие значения Vобр max достигаются использованием в качестве базы диода материала с высоким удельным сопротивлением. Наибольшие значения Vобр max могут быть получены при использовании p-i-n-диода, так ширина области объемного заряда в нем наибольшая, а следовательно, наибольшее и значение напряжение пробоя. Так как с изменением температуры Vобр max изменяется, то его значение дается для определенной температуры (обычно комнатную).
При больших Iпр в диоде, вследствие падения напряжения на нем, выделяется тепло. Поэтому выпрямительные диоды отличаются от остальных типов диодов большими размерами корпуса и внешних выводов для улучшения теплоотвода.
Выпрямительные диоды.
Выпрямительные диоды изготавливают в настоящее время в основном из кремния и германия. Кремниевые диоды позволяют получать высокие обратные напряжения пробоя, так как удельное сопротивление собственного кремния (p 10 Ом см) много больше удельного сопротивления собственного германия(p 50 Ом см). Кроме этого, кремниевые диоды оказываются работоспособными в большем интервале температур (-60... +125С), поскольку ширина запрещенной зоны в кремнии(1, 12эВ)больше, чем в германии(0, 72эВ), а следовательно, обратный ток меньше(1, 46).
Германиевые диоды работоспособны в меньшем интервале температур(-60... +85C), однако их выгоднее применять при выпрямлении низких напряжений, так как Vпр для германиевых диодов(0, 3... 0, 8 B) меньше, чем для кремниевых(до 1, 2В). Следовательно, меньше будет и мощность, рассеиваемая внутри германиевого диода.
Стабилитроны.
Полупроводниковые диоды, на вольт-амперной характеристике которых имеется участок со слабой зависимостью напряжения от тока, называются стабилитронами. Таким участком является участок пробоя p-n-перехода. Для изготовления стабилитронов используют кремний, так как обратный ток кремниевых диодов, по сравнению с германиевыми, меньше зависят от температуры, а следовательно, вероятность теплового пробоя в них меньше и напряжение на участке пробоя (лавинного или туннельного)почти не изменяется с изменением тока.
Основные параметры стабилитронов: Vст-напряжение стабилизации; Iст min-минимальный ток, с которого начинается стабилизация напряжения; Rд=dV/dI-дифференциальное сопротивление (в рабочей точке); Rстат=V/I-статическое сопротивление (в рабочей точке); Q=Rд/Rстат-коэффициент качества; ТНК=(1/Vст)(dVст/dT)-температурный коэффициент напряжения стабилизации.
Для диодов с Vст>7В ширина p-n-перехода достаточно велика и механизм пробоя лавинный. С ростом температуры обратный ток диода увеличивается, так-же увеличивается и напряжение пробоя. Это обусловлено тем, что тепловое рассеяние увеличивается, длина свободного пробега носителей уменьшается и к p-n-переходу требуется приложить большее напряжение, чтобы носители заряда на большем пути (равном длине свободного пробега) набрали кинетическую энергию, достаточную для ионизации.
В диодах с Vст<7В ширина p-n-перехода мала и наряду с лавинным механизмом действует и туннельный.
Конструктивно стабилитроны изготавливаются подобно выпрямительным диодам, и их можно использовать вместо диодов.
Фотодиоды.
Если подать на диод обратное смещение, он может использоваться в качестве фотоприемника, ток которого зависит от освещения. При достаточно больших обратных напряжениях вольт-амперная характеристика (рис. 2) запишется так:
I=-(Iнас+ Iф)=- Iнас- qcB SФ
т. е. ток не зависит от напряжения, а определяется только интенсивностью света.
Для увеличения чувствительности фотодиода может использоваться эффект лавинного умножения носителей в области объемного заряда p-n-перехода. К недостаткам лавинного фотодиода следует отнести, во-первых зависимость М от интенсивности света и, во-вторых, жесткие требования к стабильности питающего напряжения (0, 01... 0, 2 %), так-как коэфициент умножения М сильно зависит от напряжения.
Инерционные свойства фотодиодов можно характеризовать предельной рабочей частотой (частота модуляции света, на которой амплитуда фотоответа уменьшается до 0, 7 от максимальной), постоянной времени фотоответа (определяемой по времени наростания импульса фотоответа до 0, 63 до максимального, при прямоугольном импульсе света), сдвигом фаз между входным (световым) и выходным (электрическим) сигналом.
В общем случае, инерционность фотодиодов определяется тремя основными параметрами: временем диффузии неравновесных носителей через базу; временем их полета через область объемного заряда p-n-перехода; RC-постоянной. Время диффузии носителей через базу определено как:
=W /2 Dp Время полета носителей через область область объемного заряда (шириной d) можно оценить как = d/Vmax, где Vmax - максимальная скорость движения носителей в электрическом поле, которая при больших полях не зависит от напряженности электрического поля вследствии уменьшения подвижности в силовых полях.
Светодиоды.
Энергетической характеристикой излучающих диодов (светодиодов) является квантовая эффективность, которая определяется как отношение числа излучаемых во вне фотонов к числу электронов, проходящих через p-n-переход. Хотя эта величина теоретически может достигать 100%, практически она порядка 0, 1... 1%. Это объясняется большой долей безизлучательных переходов в общем рекомбинационном процессе и малостью доли фотонов, выходящих из светодиода. С понижением температуры вероятность излучательной рекомбинации растет и квантовая эффективность увеличивается.
Отличительными особенностями светодиодов по сравнению с обычными источниками света являются малые размеры, малые рабочие напряжения, высокое быстродействие (~10 c) и большой срок службы. Светодиоды находят широкое применение для схем автоматики, световых табло, оптронов.
Туннельные Диоды.
Туннельный диод - полупроволниковый прибор, принцип действия которого основан на туннельном эффекте в тонких p-n переходах и предназначен для генерирования и усиления электрических сигналов.
Структура и принцип работы туннельного диода
В основу туннельных диодов положено структуру p+-n-, то есть туннельные диоды получают на основе сильнолеггированых (вырожденных) полупроводников. Концентрация примесей в областях p и n достигает 1019...1020 см-3, в результате чего ширина переходов туннельных диодов на два порядка меньше, чем у обычных, и не превышает 10-2мкм. При таких условиях создается возможность туннелирования носителей заряда через потенциальный барьер p-n перехода. Для изготовления туннельных диодов используют такие полупроводниковые материалы: германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия.
Основная особенность туннельных диодов - наличие отрицательного дифференциального сопротивления на некотором участке прямой ветки ВАХ. Попробуем это объяснить.
С увеличением концентрации донорных и акцепторных примесей вследствие взаимодействия атомов примесные уровни расщепляются, образовывая зоны, которые могут сливаться с зоной приводимости или валентной зоной полупроводника. Уровень Ферми приближается ко дну зоны приводимости в полупроводнике n-типа и к "потолку" валентной зоны в проводнике p-типа. При некоторой достаточно большой концентрации уровень Ферми может оказаться в средине собственных зон, то есть происходит "вырождение" полупроводника. В соответствии со статистикой Ферми-Дирака энергетические уровни в областях p и n, ниже уровня Ферми, практически полностью заняты, а те что выше уровня Ферми - практически свободны. В p-n переходах на основе вырожденных полупроводников искривление энергетических уровней настолько велико, что происходит перекрывание зон, то есть в некотором интервале энергий допустимые уровни валентной зоны области p имеют ту же энергию, что и допустимые уровни зоны проводимости в области n. Так как эти уровни разделены узким потенциальным барьером, то оказывается возможным туннельный переход электронов на свободные уровни из одной области в другую. Без сместительного напряжения на диоде устанавливается такое состояние, когда вероятность туннельного перехода электронов из области p в n-область и из n-области в p-область оказывается одинаковой, и суммарный ток через диод равен нулю(точка 0 на ВАХ, а на энергетической диаграмме).
Вольт-амперная характеристика туннельного диода
При подаче на диод сместительного напряжения в обратном направлении высота потенциального барьера p-n перехода увеличивается и увеличивается перекрытие энергетических зон в соседних областях. Свободные уровни зоны проводимости n-области размещаются напротив занятых уровней валентной зоны p-области, а занятые уровни зоны проводимости n-области - напротив полностью занятых уровней валентной зоны p-области. (б на рисунке). При этом вероятность перехода электронов из валентной зоны p-области увеличивается, а вероятность обратного перехода уменьшается. Равновесие нарушается и через диод будет проходить туннельный ток в обратном направлении (точка 1 на ВАХ). Значение этого тока резко увеличивается в с повышением обратного напряжения, так как при этом все большее количество электронов из валентной зоны p-области может туннелировать в зону проводимости n-области.
С подачей на диод напряжения в прямом направлении вследствие уменьшения потенциального барьера перекрытие зон уменьшается. Часть заполненных уровней зоны проводимости n-области размещается напротив зоны свободных уровней валентной зоны p-области (в на зонной диаграмме). Поток электронов из зоны проводимости в валентную зону увеличивается, а обратный поток уменьшается. Через диод проходит прямой туннельный ток(точка 2 на ВАХ). С повышением напряжения увеличивается количество занятых уровней зоны проводимости, которые перекрываются с свободными уровнями валентной зоны, и прямой ток растет. При некотором прямом напряжении Up, когда уровень Ферми в зоне проводимости будет напротив верха валентной зоны, полностью занятые уровни зоны проводимости n-области максимально перекрываются со свободными уровнями валентной зоны p-области(г на зонной диаграмме), и туннельный ток диода в прямом направлении достигает максимума (точка 3 на ВАХ). Далее с повышением напряжения туннельный ток начинает уменьшатся(точка 4 на ВАХ), то есть появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Причина уменьшения туннельного тока состоит в том, что при U>Up часть занятых уровней в зоне проводимости перестает перекрываться со свободными уровнями валентной зоны (д на зонной диаграмме) и размещается напротив запрещенной зоны p-области. Когда напряжение на диоде будет равно Uv, перекрытии зон прекратится (г на зонной диаграмме) и туннельный ток будет равен нулю(точка 5 на ВАХ). Дальнейшее повышение напряжение снижает потенциальный барьер настолько, что оказывается возможным переход носителей над барьером, то есть появляется диффузионный ток, который растет с повышением напряжения так же, как и в обычном диоде.
В реальных туннельных переходах при напряжении Uv ток никогда не будет равен нулю, так как при этом напряжении уже возможна небольшая диффузия и кроме того, еще присутствует туннельная составляющая тока. Последняя вызвана наличием в запрещенной зоне системы допустимых уровней(уровней дефектов примесей которые глубоко находятся), из них возможно туннелирование. Этот ток называют избыточным.