Электроника:Полупроводники/Теория твердотельных приборов/Полупроводниковые диоды

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Полупроводниковые диоды[1]

В давние времена было доступно сырьё, хоть и не обладающее должной степенью чистоты, но вполне пригодное для использования в полупроводниковых выпрямителях. Фердинанд Браун изобрёл точечный выпрямитель на основе сульфида свинца (PbS), в 1874 году. С 1924 года для этой же цели стал использоваться оксида меди. Прямое падение напряжения составляет 0,2 В. У этого материала характеристическая кривая имеет зависимость, близкую к линейной, наверное, поэтому Cu2O стал широко использоваться в качестве выпрямителя для шкалы переменного тока в мультиметрах на основе движителя д'Арсонваля. Стоит также упомянуть о светочувствительности этого диода.

До того, как стали доступны современные силовые диодные выпрямители, их также делали из оксида селена. Выпрямители из оксида селена и оксида меди были поликристаллическими устройствами. К слову, фотоэлементы когда-то делали из селена.

До полупроводников

До современной полупроводниковой эры одним из первых диодов был радиочастотный детектор, который извлекал звук из радиосигнала. «Полупроводник» представлял собой поликристаллический кусок минерала галенита, сульфида свинца, PbS. Заострённая металлическая проволока, известная как кошачий ус, контактировала с точкой на кристалле в поликристаллическом минерале (см. рисунок 1 ниже). Оператор искал «чувствительное» место на галените, перемещая кошачий ус. По всей видимости, из-за того, что примеси были распределены неконтролируемым способом, по всему кристаллу были рандомно разбросаны области P- и N-типа. Изредка для изготовления детекторов использовался такой минерал как железный колчедан («золото дураков»), который примешивался к карборунду (карбид кремния, SiC). Ещё интересный пример: детектор, входящий в состав т.н. «окопного радио». Этот простейший детекторный приёмник делался из заостренного грифельного карандаша, привязанного к изогнутой английской булавке, касающегося окислённого (проще говоря – ржавого) лезвия одноразовой бритвы (обычно использовались «голубые» лезвия от фирмы «Джилетт»). Во всех этих примитивных приборах нужно было искать чувствительную точку, которая легко терялась из-за вибрации.

Рис. 1. Кристаллический детектор.

Замена минерала полупроводником с примесью азота (рисунок 2.а ниже) делает уже всю поверхность чувствительной, так что искать чувствительного точку больше не требовалось. Это устройство усовершенствовал Гринлиф Уиттер Пиккард в 1906 году. Заострённый металлический контакт создавал локализованную область P-типа в полупроводнике. Металлическая точка фиксировалась в одном месте, а диод с точечным контактом находился в цилиндрическом корпусе, что обеспечивало ему механическую и электрическую устойчивость (рисунок 2.г ниже). Обратите внимание, что катодная полоса на схеме соответствует полосе на физическом корпусе.

Кремниевые точечные контактные диоды были крайне важны для создания радаров во время Второй мировой войны, обнаруживая эхо-сигналы в гигагерцовом диапазоне. Тут стоит особо отметить, что точечный диод несколько десятилетий предшествовал переходному диоду и современным полупроводникам. При этом и по сей день точечный диод является практическим средством обнаружения микроволн из-за его низкой ёмкости. Германиевые диоды с точечным контактом когда-то были более доступными, чем сегодня, в некоторых приложениях, таких как кварцевые радиоприёмники с автономным питанием, из-за низкого прямого напряжения 0,2 В. Точечные контактные диоды, хотя и чувствительны к широкой полосе пропускания, при этом их токи малы по сравнению с переходными диодами.

Современные диоды

Рис. 2. Поперечное сечение кремниевого диода: (а) диод с точечным контактом; (б) переходной диод; (в) условное обозначение на схемах; (г) корпус малосигнального диода.

Большинство диодов сегодня – это диоды с кремниевым переходом. Поперечное сечение изображено на рисунке 2.б выше. Хотя оно выглядит чуть сложнее, чем простой P-N-переход; тем не менее, это всё ещё P-N-переход. Если смотреть на схему, начиная с катодного соединения, то N+ указывает на то, что данная область сильно легирована и не имеет никакого отношения к полярности. Это снижает последовательное сопротивление диода. N- область слегка легирована, на что и указывает маркер (-). Благодаря минимальному легированию мы получаем диод с более высоким напряжением обратного пробоя, что весьма важно для высоковольтных выпрямительных диодов. Диоды более низкого напряжения, и даже выпрямители мощности низкого напряжения, будут иметь более низкие прямые потери при более сильном легировании. Самый высокий уровень легирования имеют стабилитроны, рассчитанные на низкое обратное напряжение пробоя. Однако сильное легирование увеличивает ток обратной утечки. Область P+ на анодном контакте представляет собой сильно легированный полупроводник P-типа, что для контактности очень хорошо. Слабосигнальные переходные диоды в стеклянной капсуле выдерживают ток от 10 до 100 мА. герметизированные Мощные выпрямительные диоды, заключённые в герметичный пластиковый или керамический корпус, выдерживают ток до 1000 ампер.

Итог

  • Диоды с точечным контактом обладают превосходными высокочастотными характеристиками, которые хорошо подходят для микроволновых частот.
  • Размеры переходных диодов варьируются от слаботочных диодов до силовых выпрямителей, рассчитанных на 1000 ампер.
  • Уровень легирования вблизи перехода определяет напряжение обратного пробоя. Лёгкое легирование даёт высоковольтный диод. Сильное легирование вызывает более низкое напряжение пробоя и увеличивает обратный ток утечки. Стабилитроны имеют более низкое напряжение пробоя из-за сильного легирования.

См.также

Внешние ссылки