Полупроводниковый диод физика: 1.2. Полупроводниковые диоды

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковые диоды: виды,  характеристики, принцип работы

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали.

В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц.

Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами.

Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Принцип работы диодов

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

//www.youtube.com/embed/NqCaJhS0HGU?feature=oembed&wmode=opaque

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении.
   При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты
   . Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с

Физические принципы работы полупроводниковых приборов

Инфоурок › Физика ›Презентации›Физические принципы работы полупроводниковых приборов

Скрыть

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд Описание слайда:

Тема: Физические принципы работы полупроводниковых диодов ФИО Спикера: Андреенок Татьяна Николаевна

2 слайд Описание слайда:

Раздел № 2. «Электроника» Тема № 2. «Полупроводниковые диоды» Занятие № 1. «Физические принципы работы полупроводниковых диодов» Учебные вопросы 1. Свойства p-n-перехода. Прямое и обратное включение p-n-перехода. 2. Полупроводниковые диоды. *

3 слайд Описание слайда:

Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт которого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p- область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина p-n перехода – десятые доли микрона.

4 слайд Описание слайда:

На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела. Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряжённости электрического поля – на границе раздела. Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на p-n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером. Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть p-n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.

5 слайд Описание слайда:

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда. Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт.

6 слайд Описание слайда:

Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее — являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

7 слайд Описание слайда:

К основным свойствам p-n-перехода относятся: свойство односторонней проводимости; температурные свойства p-n перехода; — частотные свойства p-n перехода; пробой p-n перехода. Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтамперной характеристике. Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U).

8 слайд Описание слайда:

* Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что p-n переход проводит ток только в одну сторону. Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется работа p-n перехода при изменении температуры. На p-n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени – охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока. Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты.

9 слайд Описание слайда:

* Участок электрического пробоя Участок теплового пробоя Iобр = — Io Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода. Электрический пробой – это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения p-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счёт теплового действия тока и p-n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем p-n перехода. Тепловой пробой необратим. При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока.

10 слайд Описание слайда:

* Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода. а) выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Гана; б) стабилитроны; в) варикапы; г) тоннельные диоды; д) диоды Шоттки; е) светодиоды; ж) фотодиоды; з) выпрямительные блоки

11 слайд Описание слайда: 12 слайд Описание слайда:

База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда название). Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзистора.

13 слайд Описание слайда:

К базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область. Получается p-n переход очень малой площади. За счёт этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер).

14 слайд Описание слайда:

* Вольтамперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехода: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет наклон, так как за счёт возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда.

15 слайд Описание слайда:

* — максимально допустимый прямой ток Iпр.max. — прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Uпр.max. — максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max. — обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении Iобр. max. — прямое и обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратном напряжениях Rс пр, Rс обр. — прямое и обратное динамическое сопротивление диода

16 слайд Описание слайда:

Разработал: Преподаватель ГБПОУ МГКЭИТ Андреёнок Т.Н. Основная литература: 1. В.Ш. Берикашвили, А.К. Черепанов “Электронная техника”, 5-е издание, Москва, изд. центр “Академия”, 2019 г. Дополнительная литература: Б.И. Горошков, А.Б. Горошков “Электронная техника” , 2-е издание, Москва, изд. центр “Академия”, 2008 г. М.В. Немцов, М.Л. Немцова “Электротехника и электроника” Москва, изд. центр “Академия”, 2007 г. Дополнительные источники: 1. Единое окно доступа к образовательным ресурсам http://window.edu.ru/window.

Курс повышения квалификации

Курс профессиональной переподготовки

Учитель физики

Курс повышения квалификации

Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

Выберите категорию: Все категорииАлгебраАнглийский языкАстрономияБиологияВнеурочная деятельностьВсеобщая историяГеографияГеометрияДиректору, завучуДоп. образованиеДошкольное образованиеЕстествознаниеИЗО, МХКИностранные языкиИнформатикаИстория РоссииКлассному руководителюКоррекционное обучениеЛитератураЛитературное чтениеЛогопедия, ДефектологияМатематикаМузыкаНачальные классыНемецкий языкОБЖОбществознаниеОкружающий мирПриродоведениеРелигиоведениеРодная литератураРодной языкРусский языкСоциальному педагогуТехнологияУкраинский языкФизикаФизическая культураФилософияФранцузский языкХимияЧерчениеШкольному психологуЭкологияДругое

Выберите класс: Все классыДошкольники1 класс2 класс3 класс4 класс5 класс6 класс7 класс8 класс9 класс10 класс11 класс

Выберите учебник: Все учебники

Выберите тему: Все темы

также Вы можете выбрать тип материала:

Проверен экспертом

Общая информация

Номер материала: ДБ-1051072

Похожие материалы

Полупроводниковые диоды — Студопедия

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, содержащий один p-n-переход. На рис. 1.13 приведена классификация и условные графические обозначения диодов. В зависимости от технологии изготовления все диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. В точечном диоде в пластину кремния или германия площадью примерно 1 мм², имеющую проводимость n-типа, впаивается заостренная стальная проволока, образующая в месте спая электропроводность p-типа. Точечные диоды имеют малую площадь p-n-перехода, следовательно, токи в прямом направлении невелики, но их преимуществом является малая межэлектродная емкость, что позволяет использовать диоды на высоких частотах.

В плоскостных диодах p-n-переход образуется двумя пластинами полупроводников различного типа проводимости. Площадь контакта находится в пределах от долей квадратного микрометра до нескольких квадратных сантиметров. Токи в прямом направлении могут достигать сотен ампер. Естественно, конструкции диодов соответствуют уровню мощности, выделяемой на диоде. Наиболее мощные плоскостные диоды могут работать только с принудительным внешним воздушным или водяным охлаждением.

В зависимости от назначения диода в нем используются те или иные свойства p-n-перехода.

Маркировка маломощных полупроводниковых диодов в соответствии со стандартом имеет шесть элементов, например: КД202Р. Первый элемент обозначает материал используемого полупроводника: германий — Г или 1, кремний — К или 2, арсенид галлия — А или 3, арсенид индия — И или 4.

Второй буквенный элемент обозначает тип прибора: Д — выпрямительные, универсальные и импульсные диоды, Ц — выпрямительные столбы и блоки, С — стабилитроны, А — сверхвысокочастотные диоды, В — варикапы, И — туннельные и обращенные диоды, Л — излучающие диоды.

Третий цифровой элемент характеризует назначение прибора или его свойства, например: выпрямительные диоды малой мощности — 1, выпрямительные диоды средней мощности — 2, универсальные диоды с предельной частотой до 1000 МГц – 4 и т.д.

Четвертый и пятый цифровые элементы обозначают порядковый номер разработки от 01 до 99 за исключением стабилитронов, у которых они указывают на напряжение стабилизации.

Шестой буквенный элемент обозначает разновидность данной группы приборов.

Маркировка силовых диодов (прямые токи больше 10 А) производится по другому стандарту и содержит четыре элемента.

Первый элемент состоит из 1–3 букв, первая из которых В (вентиль), а вторая — Л (лавинный) или Ч (высокочастотный). Вторая или третья буква В означает, что диод имеет водяное охлаждение.

Второй числовой элемент указывает на величину предельного прямого тока.

Третий элемент (числовой) определяет класс вентиля по обратному напряжению: единица класса соответствует 100В амплитуды повторяющегося напряжения.

Четвертый буквенный элемент характеризует группу прибора по величине падения напряжения в прямом направлении.

Выпрямительный диод предназначен для выпрямления переменного тока. При этом точечные выпрямительные диоды работают в диапазоне прямых токов от 0,01 до 0,1А, а плоскостные — от 0,1 до 2000А. Характер вольтамперной характеристики выпрямительного диода полностью определяется вольтамперной характеристикой p-n-перехода. Различия в вольтамперных характеристиках различных диодов не качественные, а количественные. На рис. 1.14 показаны типичные вольтамперные характеристики точечного и плоскостного диодов.

При повышении прямого напряжения потенциальный барьер p-n-перехода уменьшается настолько, что перестает влиять на прямой ток. При этом прямой ток линейно зависит от напряжения. Наклон линейного участка прямой ветви вольтамперной характеристики определяет дифференциальное сопротивление диода R_д.

При повышении обратного напряжения возрастает обратный ток I_обр. Рост I_обр объясняется генерацией носителей заряда в p-n-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. Ток утечки практически не зависит от температуры, а ток генерации подчиняется экспоненциальной зависимости. Обратный ток удваивается при повышении температуры на (8–10)°С. Германиевые диоды могут работать при температуре не более 85°С, а кремниевые — 150°С.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются следующие:

– прямой ток I_пр.ср — среднее значение прямого тока, при котором нагрев диода не превышает допустимого значения;

– максимально допустимый прямой ток I_пр.max;

– прямое падение напряжения I_обр. — падение напряжения на диоде от тока I_пр.ср.

– дифференциальное сопротивление R_д — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению прямого тока;

– обратный ток I_обр, нормируемый при определенном обратном напряжении U_обр;

– максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max;

– максимальная рабочая частота f_max;

– диапазон рабочих температур.

Выпрямительные диоды критичны к величине обратного напряжения. При большом U_обр может произойти лавинный пробой p-n-перехода, что вызовет резкое увеличение I_обр и, как следствие, тепловой пробой. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях не более 0,7–0,8 от U_обр.max.Особенно чувствительны к перенапряжению мощные диоды, которые необходимо защищать от кратковременных перенапряжений, например, при сбросе нагрузки. Разработаны специальные лавинные мощные выпрямительные диоды, которые могут пропускать значительные обратные токи без перегрева участков p-n-перехода. Лавинные выпрямительные диоды допускают кратковременное увеличение U_обр. На рис. 1.15 показаны в сравнении обратные ветви вольтамперных характеристик обычного и лавинного диодов.

Реальная загрузка диода прямым током выбирается в зависимости от условий работы: частоты тока, температуры среды, условий охлаждения диода, формы кривой тока. Предельный прямой ток диодов, указываемых в справочниках, относится к синусоидальному току частотой 50 Гц в однополупериодной схеме выпрямления.

Перегрузочная способность по току мощных выпрямительных диодов характеризуется током аварийной перегрузки I_п (ток в аварийном режиме, который диод может выдержать однократно) и ударным током (импульсный ток, выдерживаемый диодом в течение 10 мс).

Для увеличения выпрямленного тока допускается парал­лельное соединение выпрямительных дио­дов, но из-за разброса вольтамперных харак­теристик необходимо подбирать диоды с идентичными характеристиками прямой ветви или принимать меры по вы­равниванию токов. В качестве такой меры используют включение последовательно с диодами активных сопротивлений или индуктивностей. Но в этом случае приходится мириться с дополнительными потерями мощности (рис. 1.16).

Для увеличения обратного напряжения, выдерживаемого выпрямителем, используют последовательное соединение диодов, но без применения специальных мер, обратные напряжения распределяются по диодам неравномерно. При выходе из строя одного диода все напряжение окажется приложенным к оставшимся диодам. Для выравнивания обратных напряжений по диодам применяют шунтирование диодов резисторами. Резисторы выбираются такими, чтобы ток через них был на порядок выше I_опр (рис, 1.17).

В настоящее время промышленность выпускает столбы из последовательно соединенных диодов (5–50 диодов) с идентичными характеристиками.

Универсальные диоды представляют собой маломощные точечные выпрямительные диоды, способные работать в большом диапазоне частот. Используются в различных схемах преобразования аналоговых сигналов. Для них характерны малые значения прямых токов и обратных напряжений.

Импульсные диоды используются в режиме переключения в быстродействующих импульсных схемах и отличаются от других выпрямительных диодов малой длительностью переходных процессов при включении и выключении. Переход из закрытого состояния в открытое характеризуется временем установления прямого сопротивления t_уст: это время, в течение которого напряжение на диоде спадает от максимального до 1,2 установившегося в открытом состоянии. Переход из открытого состояния в закрытое характеризуется временем восстановления обратного сопротивления t_вост. В импульсных диодах эти времена могут быть уменьшены до долей наносекунды.

Диоды Шоттки представляют собой особую группу импульсных диодов, в которых используется выпрямляющие свойства контакта металла с полупроводником. Такой диод обладает очень малой инерционностью (<0,1 мс) и малым прямым падением напряжения. Диоды Шоттки используются для уменьшения степени насыщения открытого биполярного транзистора. Такое объединение биполярного транзистора с диодом Шоттки называется транзистором Шоттки; они широко применяются в интегральных микросхемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Транзисторы Шоттки имеют большие коэффициенты усиления по току, малые значения напряжения насыщения и времени рассасывания (рис. 1.18).

Промышленностью освоены различные диодные сборки и матрицы, облегчающие применение диодов в конкретных выпрямительных устройствах. Выпрямительные мосты на кремниевых диодах специально предназначены для использования в одно- и трехфазных мостовых схемах выпрямления. В диодных матрицах используется группа маломощных диодов с подключением анодов или катодов к одному общему выводу, что облегчает их использование в логических устройствах и дешифраторах.

Полупроводниковый стабилитрон в рабочем режиме используется в области электрического пробоя, при котором напряжение на приборе почти не зависит от тока. Это его качество используется для стабилизации напряжения. Вольтамперная характеристика, стабилитрона приведена на рис. 1.19. Как видно из характеристики, обратное напряжение на стабилитроне в диапазоне токов от I_ст.min до I_ст.max практически неизменно и равно напряжению стабилизации данного стабилитрона. Такую характеристику стабилитрона используют для получения стабильного напряжения U_ст. например, в параметрических стабилизаторах.

Основными параметрами стабилитрона являются: напряжение стабилизации U_ст, динамическое сопротивление на участке стабилизации , минимальный ток стабилизации I_ст.min, максимальный ток стабилизации I_ст.max, температурный коэффициент напряжения стабилизации .

В зависимости от конструкции стабилитрона напряжение стабилизации может находиться в пределах от 1 до 1000 В. Величина напряжения зависит от толщины запирающего слоя p-n-перехода. Значения I_ст.min находятся в пределах 1-10 мА, а I_ст.max — от 30 до 3000 мА. При токах, меньших I_ст.min, напряжение не стабильно, а при токах, больших I_ст.max происходит перегрев прибора.

TK_U показывает, на сколько процентов изменится U_ст при изменении температуры прибора на 1°С. Для стабилитронов обычного исполнения TK_U = (–0,05÷ +0,2)%/°С. Как правило, низковольтные стабилитроны обладают отрицательным TK_U. Прецизионные стабилитроны имеют более высокую температурную стабильность: TK_U = + 0,0005%/°С в диапазоне температур от ‑60 до +60°С.

Стабисторы обеспечивают стабилизацию напряжения прямой ветвью вольтамперной характеристики. Отличительной чертой стабисторов является маленькое значение напряжения стабилизации (~ 0,7В). Стабисторы более стабильны при изменении температуры, чем стабилитроны.

Стабилитроны допускают последовательное соединение, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилитронов. Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, т.к. ток будет протекать только через один стабилитрон, имеющий наименьшее значение напряжения стабилизации.

Туннельный диод имеет на прямой ветви вольтамперной характеристики участок с отрицательным сопротивлением (рис. 1.20). Туннельные диоды изготавливаются из сильно легированного германия или арсенида галлия. Они являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных сигналов и импульсных переключателях на СВЧ. Имеют малый уровень шумов.

Основными параметрами туннельного диода являются ток пика I_п и отношение тока пика к току впадины I_п/I_в. Обычно I_п = 0,1÷1000 мА, а I_п/I_в = 5÷10.

Обращенный диод — разновидность туннельного диода, у которого ток пика I_п = 0 (рис. 1.20). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение U_п ≤ 0,3 В, то прямой ток диода I_п » 0. Но даже при небольшом U_обр (десятки милливольт) обратный ток достигает заметных величин, т.е. обращенные диоды обладают вентильными свойствами в области малых напряжений, где обычные диоды вентильными свойствами не обладают. При этом прямая ветвь характеристики соответствует непроводящему направлению, а обратная ветвь — проводящему.

Обращенные диоды используются в качестве детекторов слабых сигналов СВЧ.

Варикап — полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, приложенного к диоду. Используется в качестве электрически управляемой емкости, для генерации и модуляции сигналов высокой частоты, в системах автоматики. Изготавливается из кремния. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения показана на рис. 1.21. Основными параметрами варикапа являются начальная емкость C_н, фиксируемая при определенном, небольшом обратном напряжении 2–5 В; коэффициент перекрытия по емкости ; максимальное рабочее напряжение U_max; температурный коэффициент емкости TK_E; максимальная мощность P_max и добротность . Для большинства варикапов С_н находится в пределах 10–500 пФ, K_c=5–20, U_max = 40–80 В, Q = 20–40.

Магнитодиод имеет вольтамперную характеристику, зависящую от магнитного поля. В зависимости от индукции магнитного поля DB меняется наклон прямой ветви вольтамперной характеристики. Основным параметром магнитодиода является чувствительность l:

где DU_пр — приращение прямого напряжения, вызванного приращением индукции магнитного поля DB при токе I. Для серийно выпускаемых магнитодиодов КД301, КД303, КД304 чувствительность находится в пределах (10–50) · 10³ В/Тл · мА.

Тензодиод представляет собой туннельный диод, у которого отдельные участки вольтамперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.

Излучающие диоды излучают кванты света при приложении прямого напряжения. Излучающие диоды, работающие в области видимых участков спектра, называют светодиодами. Диоды на основе фосфида галлия излучают инфракрасное излучение, а на основе арсенида галлия и карбида кремния — видимое излучение. Степень излучения сильно зависит от величины прямого тока и температуры. При приложении к светодиоду обратного напряжения он не излучает и ведет себя как обычный выпрямительный диод. Излучающие диоды используются в качестве цифровых и буквенных визуальных индикаторов, а также в оптронах, служащих для гальванической развязки электрических цепей. Яркость свечения всех излучающих диодов имеет сильно выраженный экстремум в зависимости от длины волны, т.е. основное излучение при­ходится на определенную длину волны. Для излучающих диодов нормируются следующие параметры: сила света при определенном значении прямого тока I_пр, прямое падение напряжения при определенном I_пр, цвет или спектральная характеристика излучения, максимальные значения обратного напряжения и прямого тока, диапазон рабочих температур. Для некоторых диодов характерным является диаграмма направленности излучения.

Фотодиодимеет вольтамперную характеристику, зависящую от освещенности p-n-перехода (рис. 1.22). Обратный ток диода повышается при освещении.

Фотодиод может работать как с внешним источником напряжения, так и без него. Режим работы с внешним источником называется фотодиодным или преобразовательным, а без него — режимом генерации фото Э.Д.С.

Фотодиодный режим предполагает подачу на фотодиод напряжения в обратном направлении — участок аб на характеристике (рис. 1.22). Без наличия света течет небольшой так называемый тепловой ток I_т. При наличии света и обратного напряжения возникает дополнительный ток, величина которого практически пропорциональна световому потоку Ф, как это показано на рис. 1.23. В генераторном режиме используется участок ав вольтамперной характеристики. В этом режиме фотодиод замыкают на нагрузку и происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Фотодиоды изготавливают из селена, германия, кремния, сернистого серебра. Чувствительность фотодиодов в режиме фотопреобразователя (мА/лм): селеновых – 0,3–0,75; кремниевых – 3; сернисто-серебряных – 10–15; германиевых – до 20. Минимальное значение измеряемого светового потока ограничивается величиной темнового тока I_т. У германиевых фотодиодов он равен 10–30 мкА, у кремниевых на порядок меньше.

Для построения генераторных фотоэлементов созданы специальные фотодиоды, у которых Э.Д.С. холостого хода (в разомкнутом состоянии) может достигать 0,6 В при к.п.д. 8–11%. Такие диоды объединяются в так называемые солнечные батареи, представляющие собой матрицу фотодиодов. 1см² солнечной батареи может давать 7 Вт полезной мощности.

Следует отметить, что чувствительность к освещению в той или иной степени свойственна любым p-n-переходам. Любой диод или транзистор с обнаженным кристаллом полупроводника будет реагировать на свет.

Основными параметрами фотодиодов являются: величина рабочего напряжения, прикладываемого в диодном режиме, U_раб, темновой ток I_т, чувствительность K_ф, спектральная характеристика и диапазон рабочих температур. Типовые значения основных параметров:

U_раб = 15–30 В; I_т =1–30 мкА; K_ф = 1–20мА /лм.

Разумеется, при использовании фотодиодов необходимо согласовать спектральную характеристику со спектром принимаемого излучения. Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику близкую к спектральной чувствительности человеческого глаза. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части спектра.

В некоторых случаях принимается во внимание допустимая частота модуляции света, т.е. быстродействие фотодиода. Наиболее высокочастотные фотодиоды могут работать при частотах модуляции в сотни мегагерц.

По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.

Полупроводниковый диод: принцип работы, виды, устройство

 Полупроводниковый диод – особая радиодеталь, которая является прибором, осуществляющий электронно-дырочный переход. Существует два типа таких диодов – точечный и плоскостной. В первом типе такой переход осуществляется в месте соединения пластин друг с другом, произведенных из редкоземельных металлов – германий, кремний. В плоскостных, такой переход создается на контакте из германия или сурьмы.

В статье описано строение, использование, сфера применения полупроводников в современной электротехнике, из каких материалов они изготавливаются. В качестве дополнения, статья содержит два видеоматериала и подробную научную статью. Общими словами, такой тип диода является нелинейным компонентом, имеющий два вывода.

P-n-переход в полупроводнике.

Конструкции и простейшие способы изготовления полупроводниковых диодов

Для получения простейшего точечного диода берут пластинку металла с прикреплённым к ней выводом и к ней приваривают кристалл полупроводника электронного типа проводимости. Этот кристалл называют базой диода. Затем берут металлическую иглу с присоединённым к ней выводом, изготавливаемую, например, из вольфрама, золота, бериллиевой бронзы, на которую нанесён легирующий материал, и её острый кончик упирают в кристалл базы диода так, чтобы игла была подпружинена. В качестве легирующего материала часто используют алюминий и индий. Все части будущего диода помещены в корпус, который, например, может быть маленьким стеклянным баллоном, из которого откачан воздух.

Далее осуществляют формовку, то есть местное нагревание участка между иглой и полупроводниковой пластиной для того, чтобы на небольшой площади их материалы друг в друга диффундировали. Для этого через диод в прямом и обратном направлениях пропускают короткие импульсы с силой тока около 1 А, что во много раз превышает максимальный постоянный ток изготавливаемого точечного диода. Материал акцепторной примеси, который находился на игле, и тот, из которого она состояла, диффундируют на небольшой почти полусферический участок в базу диода, образуя переход. Точечные диоды благодаря небольшой площади электронно-дырочного перехода обычно обладают малой ёмкостью, а, следовательно, могут работать на высокой частоте, не теряя свойства односторонней проводимости. Однако малая площадь перехода не позволяет пропускать через точечный диод большие прямые токи без разрушения компонента.

Полупроводниковый диод.

Для изготовления плоскостного диода берут базу диода электронного типа проводимости и кладут на неё полупроводниковую пластину, которая позже станет играть роль акцепторной примеси. Затем их нагревают примерно до 450 °C … 550 °C в вакууме, отчего материал акцепторной примеси диффундирует в базу будущего диода. Полученный электронно-дырочный переход будет обладать большой площадью и существенной ёмкостью. Основные характеристики полупроводниковых диодов перечислены в таблице ниже.

Таблица основных характеристик полупроводниковых диодов

Благодаря тому, что площадь плоскостного диода велика, через него можно пропускать весьма большой ток в прямом включении, однако наибольшая частота, на которой такой диод может сохранять работоспособность, будет низкой. В заключение нужно отметить, что существуют и многие другие конструкции, а также способы изготовления диодов.

Некоторые основные параметры полупроводниковых диодов

К основным параметрам диодов относят:

• максимально допустимый постоянный прямой ток, А;
• максимально допустимый импульсный прямой ток, А;
• максимально допустимое постоянное обратное напряжение, В;
• максимально допустимое импульсное обратное напряжение, В;
• обратный ток, протекающий через диод в обратном включении при приложенном к его выводам максимально допустимом постоянном напряжении, мкА;
• статическое сопротивление диода в прямом включении, равное отношению падения напряжения на диоде в прямом включении к силе прямого тока, Ом;
• статическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению величины обратного напряжения к силе обратного тока, МОм;
• динамическое сопротивление диода в прямом включении, составляющее отношение изменения падающего не диоде постоянного напряжения в прямом включении к величине изменения силы прямого тока, Ом;
• динамическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению изменения обратного напряжения к изменению величины обратного тока, Ом;
• полная ёмкость запертого диода, пФ;
• максимально допустимая частота протекающего по диоду переменного тока, Гц, и др.

применяют для поддержания на неизменном уровне обратного постоянного напряжения, приложенного к запертому стабилитрону. При изучении пробоев электронно-дырочных переходов было отмечено, что при зенеровском и лавинном пробоях падающие на диодах обратные напряжения почти постоянны в широких диапазонах обратных токов. Зенеровский пробой присущ стабилитронам с низким напряжением пробоя, а лавинный пробой – стабилитронам с высоким напряжением пробоя. Так как во время указанных пробоев в электронно-дырочных переходах выделяется тепло, которое увеличивает температуру кристаллов, применяют полупроводники, обладающие высокой температурной стабильностью, при использовании которых обратный ток будет мал. С другой стороны, указанные пробои возникают при довольно низких обратных напряжениях, ввиду чего рассеиваемая мощность полупроводниковых стабилитронов не велика.

Стабилитроны изготавливают из кремния электронного типа проводимости, который легируют акцепторной примесью. Для этого в пластинку кремния обычно вплавляют алюминий, к материалам областей электронно-дырочного перехода подсоединяют выводы, всю систему помещают в корпус, который герметизируют. Корпуса стабилитронов обычно стеклянные, металлостеклянные или металлопластиковые.

Важным параметром стабилитронов выступает температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации, который отражён следующей формулой:

ТКН = (ΔUст / (ΔT • Uст)) • 100, %/град,

где ΔUст – наибольшее изменение напряжения стабилизации, В;

ΔT – наибольшее изменение температуры, град;

Uст – номинальное напряжение стабилизации при номинальном обратном токе, В.

Материал по теме: Как проверить варистор мультиметром.

Стабилитронам с лавинным пробоем характерно обладание положительным ТКН, т.е. при фиксированном обратном токе с ростом температуры полупроводникового кристалла обратное напряжение возрастает. Стабилитронам с зенеровским пробоем свойственно наличие отрицательного ТКН, т. е. при стабильном обратном токе с ростом температуры кристалла полупроводника обратное напряжение уменьшается.

Вольтамперная характеристика стабилитрона в области прямого включения не имеет отличий от других диодов, а в области обратного включения лежит участок, на котором при значительном изменении обратного тока практически постоянно обратное напряжение. Это отражено на рис. 3.3, на котором изображена вольтамперная характеристика типового стабилитрона.

Полупроводниковый диод – устройство

Существуют также точечные (высокочастотные) диоды, площадь их p – n перехода меньше 0,1 мм2. Такие диоды изготавливаются с помощью соединения металлической иглы с полупроводником. Применяют

Полупроводниковый диод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение на электрических принципиальных схемах.

Полупроводнико́вый диод — полупроводниковый прибор, в широком смысле — электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода (электрода). В более узком смысле — полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один p-n-переход.

В отличие от других типов диодов, например, вакуумных, принцип действия полупроводниковых диодов основывается на различных физических явлениях переноса зарядов в твердотельном полупроводнике и взаимодействии их с электромагнитным полем в полупроводнике.

Основные характеристики и параметры диодов

Диод ДГ-Ц25. 1959 г.

• Вольт-амперная характеристика
• Максимально допустимое постоянное обратное напряжение
• Максимально допустимое импульсное обратное напряжение
• Максимально допустимый постоянный прямой ток
• Максимально допустимый импульсный прямой ток
• Номинальный постоянный прямой ток
• Прямое постоянное напряжение на диоде при номинальном токе (т. н. «падение напряжения»)
• Постоянный обратный ток, указывается при максимально допустимом обратном напряжении
• Диапазон рабочих частот
• Ёмкость
• Пробивное напряжение (для защитных диодов и стабилитронов)
• Тепловое сопротивление корпуса при различных вариантах монтажа
• Максимально допустимая мощность рассеивания

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

• Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
• Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
• Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
• Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
• Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
• Параметрические
• Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
• Умножительные
• Настроечные
• Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

• Низкочастотные
• Высокочастотные
• СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

• Плоскостные
• Точечные
• Микросплавные

Типы диодов по конструкции

Другие типы

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985.

Литература

• Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985. — 176 с.
• Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987. — 479 с.

Ссылки

Как работают полупроводниковые лазерные диоды

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 10 февраля 2020 г.

Лазеры — это предмет научной фантастики: большие, тяжелые коробки, которые производят пылающие взрывы. света. Если вы когда-нибудь видели в лаборатории обычный лазер, вы знаете это довольно крупный зверь: обычно длиной с предплечье, довольно тяжелый, довольно горячий и способный давать очень интенсивный луч света. Но если лазеры такие большие, почему мы можем использовать их в таких маленьких вещах, как портативные проигрыватели компакт-дисков и портативные сканеры штрих-кода? Ответ — нет! В этих штуках используется совсем другой лазер, примерно такого же размера (и работает аналогично) обычного светодиода (светоизлучающий диод). Известный как полупроводниковые лазеры (также называемые диодными лазерами или инжекционными лазерами), они были разработаны в начале 1960-х годов Роберта Н. Холла и, во многом потому, что они такие компактные и недорогие, сейчас самые широко распространенные в мире лазеры.Рассмотрим подробнее!

Artwork: Диодные лазеры крошечные, легкие и компактные — идеально подходят для создания прецизионных световых лучей внутри небольших электронных устройств.

Что такое полупроводниковый лазер?

Скорее всего, вы использовали полупроводниковый лазер в последние несколько дней, даже не подозревая об этом. Это. Если вы смотрели DVD, вы его «просматривали»; если вы были в продуктовом магазине, и продукт со штрих-кодом прошел через кассу, которую вы купили с помощью одного; если вы сделали междугородний телефон звонок по оптоволоконному кабелю, через который вы «переговорили»; и если вы что-то напечатали на лазерном принтере, ваша распечатка почти прошла. Полупроводниковые лазеры излучают мощные и точные лучи света (например, обычные лазеры), но они примерно того же размера, что и простые светодиоды — маленькие цветные лампочки, которые вы видите на электронных приборных панелях.

Если вы читали нашу статью о диодах, вы уже имеете представление о том, как работают светодиоды. По сути, светодиод — это полупроводниковый бутерброд с «хлебом». изготовлен из кусочков двух различных видов обработанного кремния, известного как p-тип (богатый «дырками» или, другими словами, немного лишенный электронов, крошечные отрицательно заряженные частицы внутри атомов) и n-тип (со слишком большим количеством электронов).Соедините два ломтика вместе, и вы получите то, что называется диод с p-n переходом, который имеет все виды интересные свойства.

В обычном диоде p-n переход работает как турникет, что позволяет электрический ток течет только в одном направлении (известном как прямое смещение). Поскольку электроны текут через это барьер, они совмещаются с дырками на другой стороне и выдают энергия в виде фононов (звуковых колебаний), которые исчезают в кристалле кремния. В светодиоде почти такой же процесс происходит, но энергия выдается не в виде фононов, а в виде фотоны — пакеты видимого света.

Фото: меньший кружок в нижнем левом углу этой фотографии — полупроводниковый лазерный диод в проигрывателе компакт-дисков. Большой синий круг в правом верхнем углу — это линза, которая считывает отраженный свет, отражающийся от компакт-диска. Никогда не пытайтесь смотреть на лазерный луч проигрывателя компакт-дисков: вы легко можете ослепить себя.

Как светятся диодные лазеры

В области лазерных диодов мы пошли еще дальше, чтобы сделать излучаемый свет более чистым. и мощный. Вместо использования кремния в качестве полупроводник, мы используем другой материал, а именно сплав арсенид алюминия и галлия (фосфид арсенида галлия индия еще один популярный выбор).Электроны инжектируются в диод, они соединяются с дырками, и часть их избыточной энергии преобразуется в фотоны, которые взаимодействуют с большим количеством входящих электронов, помогая производить больше фотонов — и так далее в виде самовоспроизводящейся процесс называется резонансом. Это повторное преобразование входящих электронов в исходящие фотоны аналогичен процессу стимулированное излучение, которое возникает в обычных газовых лазер.

Изображение: Базовая установка лазерного диода.Лазерный свет образуется, когда электроны и фотоны взаимодействуют в p-n-переходе, расположенном аналогично обычному переходному диоду или светодиоду. Один конец диода отполирован, поэтому лазерный луч может выходить из него. Остальные концы оставьте шероховатыми, чтобы ограничить свет.

В обычном лазере концентрированный световой луч создается за счет «накачки» свет, многократно испускаемый атомами между двумя зеркалами. В лазере диод, эквивалентный процесс происходит, когда фотоны отскакивают и вперед в микроскопическом переходе (примерно один микрометр шириной) между пластинами полупроводника p-типа и n-типа, что технически известно как резонатор Фабри-Перо (своего рода интерферометр).В конечном итоге усиленный лазерный свет выходит из полированного конца зазора в виде луча, параллельного переходу. После этого он будет читать музыку с вашего компакт-диска, сканировать цены на кукурузные хлопья, распечатывать диссертацию в колледже или делать тысячи других полезных вещей!

Наборные лазерные диоды

Ранние лазерные диоды могли испускать только один относительно слабый луч, но гениальные инженеры-электронщики вскоре нашли способы сделать их значительно более мощными. С 1990-х годов один из распространенных подходов заключался в установке нескольких лазерных диодов друг на друга (например, в многоквартирном доме), а затем фокусирование их отдельных лучей в один выходной луч с помощью коллиматор и / или линза.Такое расположение по-разному называется полупроводниковым лазерным стеком, многослойным лазерным диодом или просто пакетом диодов. Помимо увеличения мощности чем один лазерный диод, стек открывает возможность одновременной генерации нескольких волн различной длины (потому что каждый лазер в стеке может создавать разные). Вместо одного P-N-перехода существует несколько переходов, и лазерные лучи выходят из активных слоев между ними; как правило, между сложенными слоями также имеется по крайней мере один туннельный переход. Одна пара клемм (иногда называемых омическими контактами) подает электроэнергию на всю батарею.

Изображение: простой многослойный лазерный диод, состоящий из двух диодных лазеров, расположенных один над другим, и изготовлен из легированных слоев арсенида алюминия-галлия. В клеммы (омические контакты) показаны серым сверху и снизу, подложка (основной материал) — зеленым, слои P-типа показаны синим, а слои N-типа — красным. Туннельный переход обозначен буквой J2. Изображение предоставлено Бюро по патентам и товарным знакам США, из патента США № 5212706: Узел лазерного диода с туннельными переходами и обеспечивающий несколько лучей от Faquir C.Джайн, Университет Коннектикута, 18 мая 1993 г.

Кто изобрел полупроводниковые лазерные диоды?

Изображение: оригинальный патент Роберта Холла на лазерный диод, любезно предоставленный Управлением по патентам и товарным знакам США.

Кого мы благодарим за это фантастическое изобретение? Доктор Роберт Н. Холл из General Electric, подавший патент на идею («Полупроводниковые устройства с вынужденной эмиссией») 24 октября 1962 г. (патент США № 3,245,002 5 апреля 1966 г.). Вот один из чертежей из этого патента, показывающий базовое расположение деталей, описанных выше.Нумерация оригинала Холла, но я добавил раскраску и упрощенные описания, чтобы облегчить понимание:

1. Типичный полупроводниковый лазерный диод P-N.
2. Область P-типа (синяя).
3. Область N-типа (красная).
4. Область соединения P-N (резонансная полость), где свет создается за счет вынужденного излучения. Это не в масштабе! В исходном патенте Холла его толщина описана как 0,1 микрона (0,1 миллионных долей метра, 0,1 мкм или 1000 ангстрем).
5. Верхний электрод.
6. Припой для фиксации верхнего электрода к p-типу.
7. Нижний электрод.
8. Припой для крепления нижнего электрода к области n-типа. (Это покрывает всю основу области n-типа, а не только серый внешний контур, показанный здесь.)
9. Разъем верхнего электрода.
10. Разъем нижнего электрода.
11. Полированная передняя поверхность.
12. Высоко отполированная задняя поверхность, которая должна быть точно параллельна передней поверхности, чтобы гарантировать, что стоячие волны электромагнитного излучения (лазерного излучения) производятся и эффективно излучаются в резонансной полости между областями p-типа и n-типа.Поверхности 11 и 12 могут быть покрыты зеркалами или металлическим покрытием для улучшения резонансного эффекта.
13. Боковая поверхность срезана под углом (или имеет шероховатость) для предотвращения образования световых волн в других направлениях.
14. Другая боковая поверхность срезана под таким же углом или придана шероховатости аналогичным образом.

Вы можете прочитать более подробную информацию в патенте Роберта Холла, который указан в ссылках ниже.

Для чего нужны диодные лазеры?

Фото: Изгиб (преломление) лазерных лучей в кристалле.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Обычные лабораторные лазеры, как мы уже видели, — большие звери, не сильно отличающиеся от лазеров, которые Голдфингер использовал в одноименном фильме о Джеймсе Бонде. Иными словами, в любом компактном устройстве, для работы которого требуется лазер, скорее всего, будет использоваться диодный лазер, а не «лазер Голдфингера». В проигрывателях компакт-дисков, сканерах штрих-кода, волоконно-оптических телефонных линиях, стоматологических инструментах, устройствах для лазерной эпиляции, лазерных указках и лазерных принтерах используются диодные лазеры, поскольку они маленькие, компактные и недорогие.Однако из этого не следует, что они маломощные и ничтожные — по трем причинам.

1. Диодные лазеры могут быть удивительно мощными (сотни ватт — вполне достижимая мощность).
2. Как мы видели выше, вы можете складывать диодные лазеры, чтобы создавать устройства с гораздо более высокой выходной мощностью (в киловаттах).
3. Вы можете объединить диодные лазеры с твердотельными лазерами (для создания так называемых твердотельных лазеров с диодной накачкой) или с обычными лазерами, используя их в качестве «оптических насосов» (вместо традиционных импульсных ламп) для возбуждения таких вещей, как рубин. стержни (дающие мощность в мегаваттах).

Последние разработки лазерные диоды глубокого ультрафиолета указывают путь к меньшим и более дешевым биосенсорам и множество других интересных биологических применений, включая стерилизацию дешевой пищи и воды.

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

Книги

Они подходят для уровня бакалавриата:

Статьи

• Диодные лазеры переходят в глубокий ультрафиолет, Джефф Хехт.IEEE Spectrum. 9 января 2020 года. Полупроводниковый диодный лазер с гораздо более ультрафиолетовым излучением открывает путь к новым приложениям, таким как более мелкие и дешевые биосенсоры.
• Laser Li-Fi может работать со скоростью 100 гигабит в секунду, автор — Нил Сэвидж. IEEE Spectrum. 8 апреля 2015 года. Сети «Wi-Fi», использующие свет вместо радиоволн, могут отправлять информацию быстрее и эффективнее.
• Лазерные фары BMW прорезают тьму, автор Лоуренс Ульрих. IEEE Spectrum. 25 октября 2013 г. В автомобилях вместо светодиодов и галогенных ламп используются яркие эффективные лазерные диоды.
• «Транзисторный лазер» Ника Холоньяка-младшего и Милтона Фенга. IEEE Spectrum, 1 февраля 2006 г. Можем ли мы ожидать наступления новой эры транзисторных лазеров, которые могут производить как оптические, так и электрические сигналы?

Видео

Патенты

Для более глубоких технических подробностей, попробуйте эти типичные патенты (и перейдите по ссылкам на уровень техники и цитатам внутри них, чтобы найти другие):

• Патент США № 3245002: Полупроводниковые устройства с вынужденной эмиссией, автор Роберт Н.Холл и др., General Electric. 5 апреля 1966 г. Первый патент Роберта Холла на полупроводниковый лазер. Это подробное техническое описание того, как работали первые полупроводниковые лазеры, создавая свет внутри диода.
• Патент США №3,303,432: Полупроводниковые лазерные устройства высокой мощности от Уильяма Энгелера, Гарфинкеля Марвина, General Electric. 7 февраля 1967 года. Основываясь на патенте Холла, в этой статье представлены диоды повышенной мощности и большей эффективности.
• Патент США № 3,936,322: Способ изготовления диодного лазера с двойным гетеропереходом Джозеф М.Блюм и др., IBM. 3 февраля 1976 г. Описывается способ изготовления лазерных диодов.
• Патент США № 5212706: Узел лазерного диода с туннельными переходами и обеспечивающий множественные лучи. Автор Faquir C. Jain, Университет Коннектикута, 18 мая 1993 г. В влиятельном патенте описана основная идея диодного стекового лазера.
• Патент США № 6 236 670: Лазер, содержащий многослойные лазерные диоды, полученные эпитаксиальным ростом, вставленные между двумя брэгговскими зеркалами Джульеном Нэглом и Эммануэлем Розенчером, Thomson-CSF.22 мая 2001 г. Альтернативный подход к созданию мощного лазера из вертикальной стопки лазерных диодов.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020.Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Поделиться страницей

Сохраните эту страницу на будущее или поделитесь ею, добавив в закладки:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2009/2020) Полупроводниковые диодные лазеры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/semiconductorlaserdiodes.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Полупроводниковый диод

— статья энциклопедии

(PD) Изображение: Джон Р. Брюс
Меза-диодная структура (вверху) и планарная диодная структура с защитным кольцом (внизу).

Полупроводниковый диод — это устройство с двумя выводами, которое проводит ток только в одном направлении, состоящее из двух или более слоев, из которых, по крайней мере, один является полупроводником. Примером является диод pn , изготовленный путем соединения полупроводникового слоя типа p с полупроводниковым слоем типа n .Для обсуждения легирующих примесей и терминологии p- и n- type. см. легирующие примеси.

На рисунке показаны две из множества возможных структур, используемых для полупроводниковых диодов pn-, обе адаптированы для увеличения напряжения, которое устройства могут выдерживать при обратном смещении. В верхней структуре используется меза, чтобы избежать резкой кривизны области p ⁺ — рядом с прилегающим слоем n-. В нижней структуре используется слегка легированное защитное кольцо p- на краю острого угла слоя p ⁺ — для распределения напряжения на большее расстояние и уменьшения электрического поля.(Верхние индексы, такие как n ⁺ или n ^— , относятся к более тяжелым или более легким уровням примесного легирования.)

Типы

Полупроводниковые диоды бывают самых разных типов:

• pn -диод: переходной диод pn состоит из полупроводника типа n , соединенного с полупроводником типа p .
Стабилитрон
• : Стабилитрон — это особый тип диода pn , предназначенный для работы в области обратного пробоя и часто используемый в качестве регулятора напряжения.Напряжение пробоя в этих диодах иногда называют напряжением Зенера . В зависимости от рассчитанного диапазона напряжений диод может выйти из строя из-за пробоя стабилитрона, туннелирования электронов или лавинного пробоя.
Диод Шоттки
• : Диод Шоттки изготовлен из металла, такого как алюминий или платина, на слаболегированной полупроводниковой подложке.
Туннельный диод
• : Как и стабилитрон, туннельный диод (или диод Эсаки) состоит из сильно легированных слоев типа n- и p с очень резким переходом между двумя типами.Проводимость происходит за счет электронного туннелирования.
• Светодиод: Светодиод предназначен для преобразования электрического тока в свет.
• Фотодиод: Фотодиод является инверсией светодиода, действующим как фотодетектор, преобразующим падающий свет в обнаруживаемый электрический ток.
• pin -diode: pin -diode состоит из трех слоев: внутреннего (нелегированного) слоя между слоями типа p и n .Благодаря своим характеристикам быстрого переключения он используется в микроволновых и радиочастотных приложениях.
Диод Ганна
• : Диод Ганна представляет собой устройство с переносом электронов , основанное на эффекте Ганна в полупроводниках III-V, и используется для генерации микроволновых колебаний.
• Варактор: переход pn , используемый при обратном смещении в качестве конденсатора переменного напряжения для настройки радиоприемников. Термин варактор также используется для устройств, которые ведут себя как встречные стабилитроны.

Электрические характеристики

(PD) Изображение: John R. Brews
Nonideal pn — вольт-амперные характеристики диода.

Идеальный диод имеет нулевое сопротивление для полярности прямого смещения и бесконечное сопротивление (проводит нулевой ток) для полярности обратного напряжения . Другими словами, полупроводниковый диод действует как электрический выпрямитель .

Полупроводниковый диод не идеален. Как показано на рисунке, диод не проводит заметную проводимость до тех пор, пока не будет достигнуто ненулевое напряжение изгиба (также называемое напряжением включения или напряжением включения ).Выше этого напряжения наклон кривой вольт-амперной характеристики не бесконечен (сопротивление в открытом состоянии не равно нулю). В обратном направлении диод проводит ненулевой ток утечки (преувеличенный меньшим масштабом на рисунке), и при достаточно большом обратном напряжении ниже напряжения пробоя ток увеличивается очень быстро с более отрицательными обратными напряжениями.

Как показано на рисунке, на и на сопротивлениях представляют собой обратные наклоны вольт-амперной характеристики в выбранной точке смещения:

где r _D — сопротивление, а Δi _D — изменение тока, соответствующее изменению напряжения на диоде Δv _D при смещении v _D = V = V .

Эксплуатация

Здесь рассматривается работа простого диода с переходом pn . Цель состоит в том, чтобы объяснить различные режимы смещения на рисунке. Работа описывается с помощью диаграмм изгиба зон, которые показывают, как наименьшая энергия зоны проводимости и наибольшая энергия валентной зоны меняются в зависимости от положения внутри диода при различных условиях смещения. Дополнительное обсуждение см. В статье Полупроводник.

Нулевое смещение

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Диаграмма изгиба ленты для диода pn при нулевом приложенном напряжении. Область истощения заштрихована.

На рисунке показана диаграмма изгиба полосы для диода pn ; то есть края зоны для зоны проводимости (верхняя линия) и валентной зоны (нижняя линия) показаны как функция положения по обеим сторонам соединения между материалом типа p (левая сторона) и Материал типа n (правая сторона). Когда область типа p и область типа n одного и того же полупроводника сводятся вместе и два диодных контакта замкнуты накоротко, уровень половинной занятости Ферми (пунктирная горизонтальная прямая линия) находится на постоянном уровне. .Этот уровень обеспечивает правильное заполнение дырок и электронов в бесполевом объеме по обе стороны от перехода. (Так, например, электрону не обязательно покидать сторону n и переходить к стороне p через короткое замыкание, чтобы регулировать заселенность.)

Однако плоский уровень Ферми требует, чтобы полосы на стороне типа p двигались выше, чем соответствующие полосы на стороне типа n , образуя ступеньку или барьер на краях полосы, обозначенную φ _B .Этот шаг изменяет плотность электронов на стороне n- , чтобы стать фактором Больцмана exp (- φ _B / V _th ) меньшим на стороне p- , чтобы соответствовать более низкому электрону. плотность в р- обл. Здесь символ V _th обозначает тепловое напряжение , V _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов. Аналогичные соображения применимы к влиянию барьера на плотность дырок в области n-.Так получилось, что pn -произведение несущих плотностей:

в любом положении диода в состоянии равновесия. ^[1] Здесь p _B , n _B — плотности основного носителя на стороне p- и n- .

В результате этого шага на краях зоны обедненная область вблизи перехода становится обедненной как дырками, так и электронами, образуя изолирующую область почти без подвижных зарядов.Однако существует фиксированных, неподвижных зарядов из-за ионов легирующей примеси. Практически полное отсутствие подвижного заряда в обедненном слое означает, что присутствующих подвижных зарядов недостаточно для уравновешивания неподвижного заряда, вносимого ионами легирующей примеси: отрицательный заряд на стороне типа p из-за примеси акцептора и положительный заряд на сторона n из-за донорной легирующей примеси. Из-за этого заряда в этой области возникает электрическое поле, что определяется уравнением Пуассона.Ширина области истощения регулируется таким образом, чтобы отрицательный заряд акцептора на стороне p точно уравновешивал положительный заряд донора на стороне n , поэтому вне области истощения с обеих сторон нет электрического поля.

В этой конфигурации полосы не подается напряжение и ток через диод не протекает. Чтобы пропустить ток через диод, необходимо применить прямое смещение , как описано ниже.

Прямое смещение

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Диаграмма изгиба ленты pn-диода при прямом смещении. Диффузия перемещает носителей через соединение. (PD) Изображение: Джон Р. Брюс Квази-уровни Ферми
и плотности носителей в прямом смещенном диоде pn-. На рисунке предполагается, что рекомбинация ограничена областями, где концентрация основных носителей заряда близка к объемным значениям, что не является точным, когда центры генерации рекомбинации в области поля играют роль.

При прямом смещении электроны инжектируются в материал p-, а дырки — в материал n-.Электроны в материале типа n называются основными носителями на этой стороне, но все, которые попадают на сторону типа p , называются неосновными носителями . Те же дескрипторы применяются к дыркам: это основные носители на стороне типа p и неосновные носители на стороне типа n .

Прямое смещение разделяет два уровня объемной половинной занятости на величину приложенного напряжения, что снижает разделение краев объемных зон типа p , чтобы они были ближе по энергии к таковым у типа n .Как показано на диаграмме, шаг по краям полосы уменьшается под действием приложенного напряжения до φ _B −v _D . (Диаграмма изгиба полосы сделана в вольтах, поэтому для преобразования v _D в энергию отсутствует заряд электрона.)

При прямом смещении диффузионный ток течет (то есть ток, обусловленный градиентом концентрации) дырок со стороны p на сторону n- и электронов в направлении, противоположном направлению . n — сторона p- сторона.Градиент, управляющий этим переносом, настраивается следующим образом: в объеме, удаленном от границы раздела, неосновные носители имеют очень низкую концентрацию по сравнению с основными носителями, например, электронная плотность на стороне p (где они являются неосновными носителями) является множителем exp (- φ _B / V _th ) ниже, чем на стороне n- (где они являются основными носителями). С другой стороны, вблизи интерфейса приложение напряжения v _D уменьшает ступеньку на краях зоны и увеличивает плотность неосновных носителей на коэффициент Больцмана exp ( v _D / V _th ) над основной массой. значения.В переходе продукт pn- увеличивается выше равновесного значения до: ^[1]

Градиент, управляющий диффузией, в таком случае представляет собой разность между большими плотностями избыточных неосновных носителей заряда на барьере и низкими плотностями в объеме, и этот градиент управляет диффузией неосновных носителей из границы раздела в объем. Количество введенных неосновных носителей уменьшается по мере того, как они перемещаются в основную часть за счет механизмов рекомбинации , которые приводят избыточные концентрации к объемным значениям.

Рекомбинация может происходить при прямом столкновении с основным носителем, аннигилирующем оба носителя, или через центр генерации рекомбинации , дефект, который поочередно захватывает дырки и электроны, способствуя рекомбинации. Неосновные носители имеют ограниченный срок службы , и этот срок службы, в свою очередь, ограничивает то, как далеко они могут диффундировать со стороны основных носителей на сторону неосновных носителей, так называемая длина диффузии . В светодиодах рекомбинация электронов и дырок сопровождается излучением света с длиной волны, связанной с энергетическим зазором между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому диод преобразует часть прямого тока в свет.

Линии половинной занятости для дырок и электронов не могут оставаться плоскими по всему устройству, поскольку они находятся в равновесии, но становятся квазиуровнями Ферми , которые меняются в зависимости от положения. Как показано на рисунке, электронный квазиуровень Ферми смещается с положением от равновесного уровня Ферми с половинной заселенностью в объеме n- к равновесному уровню с половинной заселенностью для дырок глубоко в объеме p- . Дырочный квазиуровень Ферми делает обратное. Два квазиуровня Ферми не совпадают, за исключением глубины в объемных материалах.

На рисунке показано падение плотности основных носителей заряда от уровней плотности основных носителей n _B , p _B в их соответствующих объемных материалах до уровня с коэффициентом exp (- ( φ _B — v _D ) / V _th ) меньше на вершине барьера, которое уменьшается от равновесного значения φ _B на величину прямого смещения диода v _D . Поскольку этот барьер расположен в материале с противоположным легированием, инжектированные носители в позиции барьера теперь являются неосновными носителями.По мере того, как происходит рекомбинация, плотности неосновных носителей падают с глубиной до их равновесных значений для объемных неосновных носителей, на коэффициент exp (- φ _B / V _th ) меньше, чем их объемная плотность n _B , p _B в качестве основных носителей перед инъекцией. В этот момент квазиуровни Ферми воссоединяются с положениями объемных уровней Ферми.

Уменьшение шага на краях зоны также означает, что при прямом смещении область обеднения сужается, поскольку в нее проталкиваются дырки со стороны p и электроны со стороны n .

В простом диоде pn прямой ток увеличивается экспоненциально с напряжением прямого смещения из-за экспоненциального увеличения плотности несущих, поэтому всегда есть ток даже при очень малых значениях приложенного напряжения. Однако, если кто-то интересуется некоторым конкретным уровнем тока, для достижения этого уровня тока потребуется «излом» напряжения. Например, очень распространенный выбор в текстах о схемах с кремниевыми диодами: V _Knee = 0.7 В. ^[2] Выше колена, конечно же, ток продолжает экспоненциально возрастать. Некоторые специальные диоды, такие как некоторые варакторы, специально разработаны для поддержания низкого уровня тока до некоторого напряжения колена в прямом направлении.

Обратное смещение

(PD) Изображение: John R. Brews
Изгиб ленты для диода pn при обратном смещении (PD) Изображение: Джон Р. Брюс Квази-уровни Ферми
в диоде pn- с обратным смещением.

При обратном смещении уровень заполнения дырок снова имеет тенденцию оставаться на уровне объемного полупроводника типа p , в то время как уровень заполнения электронами соответствует уровню заполнения объемного полупроводника типа n-.В этом случае края объемной зоны типа p приподняты относительно объема n из-за обратного смещения v _R , так что два уровня заполнения снова разделены энергией, определяемой приложенное напряжение. Как показано на диаграмме, такое поведение означает, что шаг на краях зоны увеличивается до φ _B + v _R , а область обеднения расширяется по мере того, как дырки отталкиваются от нее на стороне p и электроны на стороне n .

Когда применяется обратное смещение, электрическое поле в обедненной области увеличивается, отталкивая электроны и дырки дальше друг от друга, чем в случае нулевого смещения. Таким образом, любой ток, который течет, происходит из-за очень слабого процесса генерации носителей заряда внутри обедненной области из-за дефектов генерации-рекомбинации в этой области. Этот очень малый ток является источником тока утечки при обратном смещении. В фотодиоде обратный ток вводится путем создания дырок и электронов в обедненной области падающим светом, таким образом преобразуя часть падающего света в электрический ток.

Когда обратное смещение становится очень большим, достигая напряжения пробоя, процесс генерации в области истощения ускоряется, что приводит к лавинообразному состоянию , которое может вызвать разгон и разрушить диод.

Диодный закон

Величина постоянного тока идеального диода pn- определяется уравнением диода Шокли: ^[3]

с v _D постоянным напряжением на диоде и I _R обратным током насыщения , током, протекающим при обратном смещении диода ( v _D большой и отрицательный).Символ V _th обозначает тепловое напряжение , V _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов.

Это уравнение не моделирует поведение без сделки, такое как избыточная обратная утечка или явление пробоя. Во многих практических диодах это уравнение должно быть изменено, чтобы читать:

, где коэффициент идеальности , n вводится для моделирования более медленной скорости увеличения, чем предсказывается законом идеальных диодов.Используя это уравнение, сопротивление диода на- составляет:

показывает меньшее сопротивление, чем выше ток.

Емкость

Слой обеднения между сторонами n — и p перехода pn служит в качестве изолирующей области, которая разделяет два диодных контакта. Таким образом, диод с обратным смещением имеет емкость обедненного слоя , иногда более расплывчато называемую переходной емкостью , аналогично конденсатору с параллельными пластинами с диэлектрической прокладкой между контактами.При обратном смещении ширина обедненного слоя увеличивается с увеличением обратного смещения v _R , и соответственно уменьшается емкость. Таким образом, переход служит конденсатором с регулируемым напряжением. В упрощенной одномерной модели емкость перехода равна:

с A площадь устройства, κ относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε ₀ электрическая постоянная и w ширина обеднения (толщина области, в которой плотность мобильных носителей незначительна. ).

При прямом смещении, помимо указанной выше емкости обедненного слоя, происходит инжекция и диффузия заряда неосновных носителей. Имеется диффузионная емкость , выражающая изменение заряда неосновных носителей, которое происходит при изменении прямого смещения. С точки зрения накопленного заряда неосновных носителей ток диода i _D равен:

, где Q _D — заряд, связанный с диффузией неосновных носителей, а τ _T — время прохождения , время, необходимое для прохождения неосновного заряда через область инжекции.Типичные значения времени прохождения составляют 0,1–100 нс. ^[4] На основании этого рассчитывается диффузионная емкость:

Вообще говоря, для обычных уровней тока при прямом смещении эта емкость намного превышает емкость обедненного слоя.

Переходная характеристика

(PD) Изображение: John R. Brews
Схема слабого сигнала для диода pn-, управляемая сигналом тока, представленным как источник Norton.

Диод является в высшей степени нелинейным устройством, но для изменений слабого сигнала его отклик можно проанализировать с помощью схемы слабого сигнала на основе смещения постоянного тока, относительно которого, как предполагается, изменяется сигнал.Эквивалентная схема показана справа для диода, управляемого источником Norton. Используя текущий закон Кирхгофа в выходном узле:

с C _D диффузионная емкость диода, C _J емкость диодного перехода (емкость обедненного слоя) и r _D сопротивление диода при выбранном смещении точка или Q-точка. Выходное напряжение, обеспечиваемое этой схемой, тогда:

с ( R _S || r _D ) параллельной комбинацией R _S и r _D .Этот усилитель сопротивления демонстрирует граничную частоту , обозначенную f _C :

и для частот f >> f _C усиление спадает с частотой, поскольку конденсаторы замыкают резистор r _D . Предположим, как и в случае включения диода, что C _D >> C _J и R _S >> r _D , выражения, найденные выше для сопротивление и емкость диода обеспечивают:

, который связывает частоту излома со временем прохождения диода τ _T .

Для диодов, работающих с обратным смещением, C _D равно нулю, и термин угловая частота часто заменяется частотой среза . В любом случае, при обратном смещении сопротивление диода становится довольно большим, хотя и не бесконечным, как предполагает закон идеального диода, и предположение, что оно меньше, чем сопротивление Нортона драйвера, может быть неточным. Емкость перехода мала и зависит от обратного смещения v _R .Тогда частота среза равна:

и изменяется с обратным смещением, потому что ширина w (v _R ) изолирующей области, лишенной подвижных несущих, увеличивается с увеличением обратного смещения диода, уменьшая емкость. ^[5]

Банкноты

1. ↑ ^{1,0 1,1} Джон Спаркс (1994). Полупроводниковые приборы , 2-е изд. CRC Press, стр. 78. ISBN 0748773827.
2. ↑ Естественно, это напряжение зависит от выбранного уровня тока.Это напряжение для диода с переходом pn принимается по-разному: 0,7 В и 0,5 В; см. AS Sedra and KF Smith (1998). «Глава 3: Диоды», Микроэлектронные схемы , 4-е изд. Oxford University Press, стр. 134 и Рисунок 3.8. ISBN 0195116631. .
3. ↑ Андрей Гребенников (2011). «§2.1.1: Диоды: принцип действия», Конструкция передатчика ВЧ и СВЧ . J Wiley & Sons, стр. 59. ISBN 047052099X.
4. ↑ Нараин Арора (2007). Mosfet-моделирование для СБИС: теория и практика . World Scientific, стр. 539. ISBN 981256862X. Жан-Пьер Колиндж, Синтия А. Колиндж (2002). Физика полупроводниковых приборов , 2-е изд. Спрингер, стр. 149. ISBN 1402070187.
5. ↑ Варактор представляет собой диод pn-, работающий с обратным смещением. См., Например, В.С. Багад (2009). «§5.8.1 Варакторный диод: принцип работы», Микроволновая и радиолокационная техника , 2-е изд.Технические публикации Пуна. ISBN 8184311214.

Банк вопросов для JEE Main & Advanced Physics Semiconducting Devices Semiconductor Diode

Переключить навигацию 0

0

• Железные дороги
• UPSC
• Банковское дело
• SSC
• CLAT
• JEE Main и Advanced
• NEET
• NTSE
• KVPY
• Обучение
• Оборона
• 12-й класс
• 11-й класс
• 10-й класс
• 9-й класс
• 8-й класс
• 7-й класс
• 6-й класс
• 5-й класс
• 4 класс
• 3-й класс
• 2-й класс
• 1-й класс
• Другой экзамен
• Дошкольное образование
• Государственный экзамен депутата
• Государственные экзамены UP
• Государственные экзамены Раджастана
• Государственные экзамены Джаркханда
• Государственные экзамены Чхаттисгарх
• Государственные экзамены Бихара
• Экзамены штата Харьяна
• Экзамены штата Гуджарат
• Государственный экзамен MH
• Государственные экзамены штата Химачал
• Государственные экзамены Дели
• Государственные экзамены Уттаракханда
• Государственные экзамены Пенджаба
• Государственные экзамены J&K
• Видео
• Учебные пакеты
• Серия испытаний
• Решения Ncert
• Образцы статей
• Банк вопросов
• Ноты
• Решенные статьи
• Текущие дела

Авторизоваться Подписаться Демо-видео андроид Приложение для Android shopping_cart Покупка курсов android приложение для Android video_library Демо-видео —- человек Моя учетная запись 0 Товаров — 0

Поиск…..

Идти!

• Все
• Видео
• Учебные пакеты
• Решения NCERT
• Вопросы

PPT — Презентация PowerPoint по физике полупроводниковых устройств, скачать бесплатно

Физика полупроводниковых устройств Лекция 8 PN Junction Diodes: I-V Характеристики Dr.Гаурав Триведи, отдел EEE, ИИТ Гувахати

Преобладающий механизм разрушения — туннелирование Эмпирические наблюдения VBR • VBR уменьшается с увеличением N, • VBR уменьшается с уменьшением EG. • VBR: напряжение пробоя

Напряжение пробоя, VBR

Механизм пробоя: сход лавины

Механизм пробоя: процесс стабилизации

Влияние разрушения области

Эффект R – G в области истощения

Влияние R – G в области истощения

Влияние R – G в области истощения

Эффект Сопротивление

Эффект высокого уровня впрыска

Эффект высокого уровня впрыска

Сводка

Контроль заряда носителя Подход

Подход к контролю заряда 910 58 • Интегрирование по n квазинейтральной области (после умножения всех членов на Adx), QP QP • Кроме того, в p + n-переходе, 0 • Итак: в установившемся состоянии

Подход к контролю заряда • В установившемся состоянии мы можно рассчитать ток pn-перехода двумя способами: • по наклону Δnp (–xp) и Δpn (xn) • по установившимся зарядам QN и QP, хранящимся в каждом «распределении избыточных неосновных зарядов» • Следовательно, • Аналогично,

Подход к контролю заряда • Кроме того, в p + n-переходе: в устойчивом состоянии

Узкобазовый диод • Узкобазовый диод: диод, в котором ширина квазинейтральной области на слегка легированной стороне соединение имеет порядок или меньше одной диффузионной длины.n-сторонний контакт

Узкобазовый диод I – V • У нас есть следующие граничные условия: • Тогда решение имеет вид: • Применяя граничные условия, мы имеем:

Узкий -Base Diode I – V • Решение для A1 и A2 и обратная замена: • Обратите внимание, что • Решение можно записать более компактно как

Narrow-Base Diode I – V • При уменьшении ширины базы xc ‘0: • Δpn является линейной функцией от x из-за незначительного теплового R – G в области, намного меньшей, чем одна длина диффузии •  JPis постоянная • Это приближение может быть получено с использованием приближения ряда Тейлора Базовый диод I – V • Потому что тогда • Тогда для p + n перехода:

Узкобазовый I – V • Если xc ‘<< LP, • Результат • Увеличение обратного смещения означает • Увеличение обратного тока • Увеличение истощения h • Уменьшение квазинейтральной области xc '= xc – xn

Диод с широкой базой • Переписывание общего решения проблемы избытка несущей, • Для случая диода с широкой базой (xc’ >> LP), Назад к идеальному диодному решению

Wide-Base Diode • Переписывание общего решения для диффузионного тока, • Для случая широкополосного диода (xc’ >> LP), Назад к идеальному диодному решению

Смещение малосигнального диода • При обратном смещении диод с pn переходом становится функционально эквивалентным конденсатору, емкость которого уменьшается по мере увеличения обратного смещения.• Смещение дополнительного переменного тока. сигнал va можно рассматривать как небольшое колебание ширины обеднения около установившегося значения. V0 << ВА RS: последовательное сопротивление C: емкость G: проводимость Y: полная проводимость

Общая емкость pn-перехода Переходная / обедненная емкость из-за изменения истощающих зарядов Срок службы второстепенных носителей Диффузионная емкость из-за изменения накопленных неосновных зарядов в квазинейтральных областях • CJ доминирует при малых прямых смещениях, обратных смещениях.• CD доминирует при средних и высоких смещениях вперед.

Связь между CJ и VA • Для асимметричного ступенчатого перехода, NB: объемное легирование полупроводников, NA или ND в зависимости от случая. • Следовательно,

PIN, Diode Structure, Britney’s Guide to Semiconductor Physics

J.Y. Вау, К. Дж. Хепберн

Обзор

P-i-n-диод — это p-n-переход с профилем легирования, адаптированным таким образом, чтобы что внутренний слой, «область i», зажат между слоем p и п слой.Однако на практике идеализированная область i аппроксимируется формулой либо слой p с высоким сопротивлением (называемый п слой) или слой n с высоким сопротивлением ( п слой). Природа низкого допинга в области i, большая часть потенциала упадет на эту область. Чтобы моделируя эту диодную структуру, мы должны сначала определить распределение пространственного заряда а потом выработать электрическое поле в каждом регионе. Применение непрерывности смещения вектор на каждой из границ, можно вывести электрическое поле.В электростатический Профиль потенциала затем получается путем интегрирования электрического поля. Разрешите нам Начнем с определения распределения пространственного заряда PIN-диода.

(1)

Из закона Гаусса

(2)

Интегрируя уравнение (2), получаем

(3)

Граничное условие дает

(4)

Электрическое поле — это отрицательный градиент электростатического потенциала, следовательно, из уравнения (3) и того факта, что электростатический потенциал непрерывно на каждой границе.Мы получаем,

(5)

где

(6)

П- п -N и P — п -N истощение длина x _п Расчет

Теперь мы заинтересованы в моделировании P- п -N или даже P- п — Н. Распределение пространственного заряда является:

(7)

где N _А , N _а , и н _D концентрация примеси в П, п , и N область соответственно.Тогда закон Гаусса дает

(8)

Соответствующее электрическое поле равно

(9)

Граничные условия при W

и, следовательно

(10)

Электростатический потенциал равен

(11)

Встроенное напряжение определяется как

(12)

Рисунок 1.Это PIN-гомопереход с W = 0 м м, Al _Икс Ga _(1-х) As, x = 0,3 с каждой стороны, N _А = N _D = 1×10 ¹⁷ см ^-3 , а температура T = 300 К. При одинаковом материале с обеих сторон электрическая поле непрерывно на стыке. W _п = 0,10 м м, Вт _п = 0.10 м м, В _би = 1,627 В

Сильно допущен п и п область

Моделирование изотипа n-N гетеропереходов

Моделирование анизотипа p-N-гетероперехода

Моделирование гетеропереходов анизотипа P-n

PIN под прямым смещением

PiN при обратном смещении

Приближение к квантовой яме

Купите эту программу сейчас.