ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие "П. д." объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразоват. П. д. различают: выпрямит, диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных П. д. выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.

Наиболее многочисленны П. д., действие к-рых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р-n-перехода). Если к р-га-переходу диода (рис. 1) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положит. потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная ин-жекция дырок из р-области в я-область и электронов из n-области в р-область -течёт большой прямой ток (рис. 2). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р - n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентная схема такого П. д.

На резкой несимметричности вольтам-перной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямит. устройств и др. сильноточных электрич. цепей выпускаются выпрямит. П. д., имеющие допустимый выпрямленный ток I_в до 300 а и макс, допустимое обратное напряжение U*обр. от 20-30 в до 1-2 кв. П. д. аналогичного применения для слаботочных цепей имеют I_в<0,1а и наз. универсальными. При напряжениях, превышающих U*обр, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р-n-перехода, приводящий к выходу П. д. из строя. С целью повышения U*обр до неск. десятков кв используют выпрямительные столбы, в к-рых неск. одинаковых выпрямит. П. д. соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямит. диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники) составляет > 10^-5 -10^-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50-2000 гц).

Использование спец. технологич. приёмов (гл. обр. легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10^-7-10^-10 сек и создать быстродействующие импульсные П. д., используемые, наряду с диодными матрицами, гл. обр. в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р - я-перехода - резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, наз. напряжением стабилизации Ucт. На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с Ucт. от 3-5 в до 100-150 в применяют гл. обр. в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения; прецизион. стабилитроны, у к-рых встраиванием компенсирующих элементов достигается исключительно высокая температурная стабильность Ucт. (до 1*10^-5 -5-10^-6 К^-1),- в качестве источников эталонного и опорного напряжений.

В предпробойной области обратный ток диода подвержен очень значит, флуктуа-циям; это свойство р-n-перехода используют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р-n-переходе (характеризующаяся временем 10^-9 -10^-10сек) обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде, вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрич. цепь) генерирование СВЧ колебаний. Это свойство успешно используют в лавинно-пролётных полупроводниковых диодах, позволяющих осуществлять генераторы с частотами до 150 Ггц.

Рис. 1. Структурная схема полупроводникового диода с р -n-переходом: 1- кристалл; 2 - выводы (токоподводы); 3 -электроды (омические контакты); 4 - плоскость р - n-перехода.

Рис. 2. Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р - n-переходом: U - напряжение на диоде; 1 - ток через диод; U_обр и I*обр - максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; U_СТ - напряжение стабилизации.

Рис. 3. Малосигнальная (для низких уровней Сигнала) эквивалентная схема полупроводникового диода с р - п- переходом: r_р__п - нелинейное сопротив-ление р- n-перехода; r₆ - сопротивление объёма полупроводника (базы диода); r_ут - сопротивление поверхностных утечек; С_в - барьерная ёмкость р -n-перехода; С_диф - диффузионная ёмкость, обусловленная накоплением подвижных зарядов в базе при прямом напряжении; С_к - ёмкость корпуса; L_K - индуктивность токоподводов; А и Б - выводы. Сплошной линией показано подключение элементов, относящихся к собственно р - n-переходу.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики туннельного (1) и обращённого (2) диодов; U - напряжение на диоде; I - ток через диод.

Для детектирования и преобразования электрич. сигналов в области СВЧ используют смесительные П. д. и видеодетекторы, в большинстве

к-рых р-n-переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости С_Б (рис. 3), а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности L_K и ёмкости С_к и возможность монтажа диода в волноводных системах.

При подаче на р-n-переход обратного смещения, не превышающего U*обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у к-рого ёмкость СБ зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преим. для электронной перестройки резонансной частоты колебат. контуров, в параметрических полупроводниковых диодах, служащих для усиления СВЧ колебаний, в варакто-рах и умножительных диодах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих П. д. стремятся уменьшить величину сопротивления Тб (осн. источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости Св от напряжения U*обр.

У р-n-перехода на основе очень низ-коомного (вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда, оказывается очень тонкой (~10^-2 мкм), и для неё становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер (см. Туннельный эффект). На этом свойстве основана работа туннельного диода, применяемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах (напр., мультивибраторах, триггерах), в усилителях и генераторах колебаний СВЧ, а также обращённого диода, применяемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ колебаний. Их ВАХ (рис. 4) существенно отличаются от ВАХ других П. д. как наличием участка с "отрицательной проводимостью", ярко выраженной у туннельного диода, так и высокой проводимостью при нулевом напряжении.

К П. д. относят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойную р - n- р - n-структуру и наз. динисторами (см. Тиристор), а также приборы, использующие объёмный эффект доменной неустойчивости в ПП структурах без р-n-перехода - Ганна диоды. В П. д. используют и др. разновидности ПП структур: контакт металл - полупроводник (см. Шотки эффект, Шотки диод) и р-i-n-структуру, характеристики к-рых во многом сходны с характеристиками р-n-перехода. Свойство р-i-n-структуры изменять свои электрич. характеристики под действием излучения используют, в частности, в фотодиодах и детекторах ядерных излучений, устроенных т.о., что фотоны или ядерные частицы могут поглощаться в активной области кристалла, непосредственно примыкающей к р - n-переходу, и изменять величину обратного тока последнего. Эффект излучат, рекомбинации электронов и дырок, проявляющийся в свечении нек-рых р- n-переходов при протекании через них прямого тока, используется в светоизлучающих диодах. К П. д. могут быть отнесены также и полупроводниковые лазеры.

Большинство П. д. изготавливают, используя планарно-эпитаксиальную технологию (см. Планарная технология), к-рая позволяет одновременно получать до неск. тысяч П. д. В качестве полупроводниковых материалов для П. д. применяют гл. обр. Si, а также Ge, GaAs, GaP и др., в качестве контактных материалов- Au, Al, Sn, Ni, Си. Для защиты кристалла П. д. его обычно помещают в металло-стеклянный, металло-керами-ческий, стеклянный или пластмассовый Корпус (рис. 5).

Рис. 5. Полупроводниковые диоды (внешний вид): 1 - выпрямительный диод; 2 - фотодиод; 3 - СВЧ диод; 4 и 5 -диодные матрицы; 6 - импульсный диод. Корпуса диодов: 1 и 2 - металло-стек-лянные; 3 и 4 - металло-керамические; 5 - пластмассовый; 6 - стеклянный.

В СССР для обозначения П. д. применяют шестизначный шифр, первая буква к-рого характеризует используемый полупроводник, вторая - класс диода, цифры определяют порядковый номер типа, а последняя буква - его группу (напр., ГД402А - германиевый универсальный диод; КС196Б - кремниевый стабилитрон).

От своих электровакуумных аналогов, напр. кенотрона, газоразрядного стабилитрона, индикатора газоразрядного, П. д. отличаются значительно большими надёжностью и долговечностью, меньшими габаритами, лучшими технич. характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей применения.

С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными П. д. диодных структур в ПП монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах, где П. д. неотделим от всей конструкции устройства.

Об историч. сведениях см. в ст. Полупроводниковая электроника.

Лит.: Полупроводниковые диоды. Параметры. Методы измерений, М,, 1968; Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, М., 1970; Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы, М., 1973; 3 и С. М., физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973.

. Ю. Р. Носов.