Особенности диода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара

Факультет физики, электроники

и компьютерных систем

Кафедра радиоэлектроники

Контрольная работа по «Твердотельной электронике»

На тему: «Особенности диода»

Выполнил

студент группы КМ-11-1

Мироненков Р.Д.

Проверил

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры радиоэлектроники.

Макаров В.А.

Днепропетровск 2013

Реферат

Ключевые слова: импульсный диод, высокочастотны диод, диод Ганна, воль-амперная характеристика диода.

Цель работы: исследование характеристик и принципов действия импульсных и высокочастотных диодов

Содержание

Введение

1. Импульсный диод. Принцип действия

2. Высокочастотный диод. Принцип действия

2.1 Диод Ганна

3. Изготовление диодов

Заключение

Список литературы

Введение

Полупроводники стали настоящей золотой жилой техники, когда из них научились делать структуры, похожие на слоистый пирог.

Выращивая слой n-полупроводника на пластинке p-полупроводника, мы получим двухслойный полупроводник. Переходный слой между ними называется pn-переходом. Если к каждой половине припаять по соединительному проводу, то получится полупроводниковый диод, который действует на ток как вентиль: в одну сторону хорошо пропускает ток, а в другую сторону почти не пропускает.

Как возникает выпрямляющий запирающий слой? Образование слоя начинается с того, что в p-половине больше дырок, а в n-половине больше электронов. Разность плотности носителей зарядов начинается уравновешиваться через переход: дырки проникают в n-половину, электроны в p-половину.

С помощью внешнего источника тока можно повысить или понизить внешний потенциальный барьер. Если к диоду приложить прямое напряжение, т.е положительный полюс соединить с p-половиной, то внешняя электрическая сила начнёт действовать против двойного слоя, и диод пропускает ток, который быстро растёт с увеличением напряжения. Если же изменить полярность проводников, то напряжение падает почти до нулевой отметки. Если диод подключить в цепь переменного напряжения, то он будет служить как выпрямитель, т.е на выходе будет постоянное пульсирующее напряжение, по направлению в одну сторону (от плюса к минусу). Для того чтобы сгладить амплитуду, или как её ёщё называют "пиковое значение" пульсации тока, эффективно добавить параллельно диоду конденсатор Выпрямительные приборы довольно часто требуются в промышленности. Например выпрямители нужны для правильной работы бытовой техники (т.к почти все электроприборы потребляют постоянное напряжение. Это телевизоры, радиоприёмники, видеомагнитофоны и т.д). Также полупроводниковые диоды нужны для расшифровки видео, радио, фото и других сигналов в частотно-электрические сигналы. С помощью этого свойства полупроводников мы смотрим телевизор или слушаем радио.

Есть ещё и необычные полупроводниковые диоды- это светодиоды и фотодиоды. Фотодиоды пропускают ток только при попадании на их корпус света. А светодиоды при прохождении через них тока, начинают светиться. Цвет свечения светодиодов зависит от того, к какой разновидности он принадлежит.

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы, в зависимости от их мощности, диапазона рабочих частот, напряжения и диапазона рабочих частот. Как у диодов, так и у транзисторов есть одно уникальное свойство. При изменении температуры, их внутреннее сопротивление изменяется и следовательно величина напряжения выпрямленного тока тоже изменяется в большую или меньшую сторону. Свето и фотодиоды применяются в качестве датчиков и индикаторов.

1. Импульсный диод. Принцип действия

Это обычные диоды, с обычной ВАХ, однако работающие в режиме переключения. Их область применения - цифровые схемы, элементы которых находятся либо в открытом состоянии «0», либо в закрытом «1». Поэтому в этом приложении представляют интерес временные параметры диода: как быстро он переходит из закрытого в открытое состояние и наоборот. На рис.1 показан импульсный диод на основе несимметричного контакта. Примем условие, что эмиттер имеет n - проводимость. Это дает основание рассматривать поведение и ток только электронов. При обратной не симметрии вся сказанное будет относиться к дыркам.

Рис.1. Импульсный диод

Рассмотрим процессы при переключении. Подадим на него прямое напряжение - идеальную ступень (рис.2.а) Первоначально начнут движение электроны, обладающие наибольшей энергией, находящиеся непосредственно вблизи p-n перехода, далее к ним присоединятся те, которые находятся внутри n области. Таким образом, из-за различия энергий носителей постепенно увеличивается их число, постепенно увеличивается и прямой ток. Этот процесс во времени показан на рис.2.б, а для оценки вводится параметр t_уст - время установления открытого состояния. При большом времени ток не меняется и в области «p» перехода скапливается большое количество неосновных носителей, электронов. Возникает неравновесная концентрация носителей в p области кристалла.

Подадим на переход столь же резко изменяющуюся обратную полярность напряжения. Неравновесные электроны, накопившиеся в «p» области, начнут выводиться под действием электрического поля в «n» область. Концентрация их велика, поэтому обратный ток в течении какого - то времени будет большим. Эта стадия процесса показана на рис.2.б, как t₁. в конце концов, процесс вывода закончится, переход становится в закрытое состояние. Теперь есть две полупроводящие области p и n b и слой диэлектрика между ними. Это конденсатор, который начинает заряжаться под действием обратного напряжения. Ток заряда будет уменьшаться по закону экспоненты, на рис.2.б это время t₂. В целом время восстановления закрытого состояния равно t₁+t₂=t_восст.

Рис.2. Процессы в импульсном диоде

Обычно t_восст >> t_восст. Для улучшения параметров диода для изготовления используются материалы с высокой подвижностью носителей (Ge), площадь перехода делают маленькой, применяют p-i-n структуры. Пример применения импульсного диода приведен на рис. Форма напряжения на нагрузочном сопротивлении повторяет форму тока на рис.3.

Рис.3.Работа импульсного диода

2. Высокочастотные диоды. Принцип действия

В технике сверхвысоких частот (для работы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн) применяются особые германиевые и кремневые сверхвысокочастотные диоды (СВЧ диоды). По-своему назначению СВЧ диоды делятся на видео детекторные, предназначены для детектирования СВЧ колебаний, переключательные, предназначенные для применения в устройствах управления уровнем СВЧ мощности, параметрические, предназначенные для применения в параметрических усилителях СВЧ колебаний, и преобразовательные. В свою очередь, преобразовательные диоды, в которых используется нелинейность вольтамперной характеристики перехода, делят на:

· смесительные, используемые для преобразования СВЧ сигнала и сигнала гетеродина в сигнал промежуточной частоты;

· умножительные, используемые для умножения частоты СВЧ сигнала;

· модуляторные, используемые для модулирования амплитуды СВЧ сигнала.

В СВЧ диодах обычно используется точечный контакт. Переход в таких диодах не формуется. Выпрямляющий контакт осуществляется простым прижимом к полированной поверхности полупроводника острия металлического контактной пружины. Эти диоды изготовляются из очень низкоомного материала (время жизни носителей заряда мало) и имеют весьма малый радиус точечного контакта (2-3 мкм), что обеспечивает хорошие высокочастотные свойства. Однако напряжение пробоя СВЧ диодов очень низкое (всего 3-5 В), а прямое напряжение относительно высокое.

Обратный ток у них хотя и мал, но начинает возрастать практически с нуля за счет туннельного эффекта носителей через переход (рис.4).

Рис. 4. ВАХ высокочастотного диода

Конструкция СВЧ диодов обычно приспособлена к сочленению с элементами коаксиального или волноводного тракта, с измерительными головками и другими деталями системы СВЧ. В длинноволновом участке СВЧ диапазона (3-10 см) основными типами корпуса являются металлокерамический или металлостеклянный патронного типа. В диапазоне волн 1-3 см габариты и емкость этих корпусов становятся недопустимо большими, и поэтому выпрямляющий контакт монтируется в корпусе коаксиального типа. В диапазоне миллиметровых волн используются волноводную конструкцию.

Помимо длинны волны, на которой СВЧ диоды имеют параметры, гарантированные нормами технического задания и максимально допустимых данных, СВЧ диоды также характеризуются электрическими параметрами, отражающими основное значение. Так, смесительные СВЧ диоды характеризуют потерями преобразования (отношение мощности СВЧ на входе к мощности промежуточной частоты на выходе диода), шумовым отношением (отношение мощности шумов на выходе диода в рабочем режиме к мощности тепловых шумов активного сопротивлению диода), нормированным коэффициентом шума, характеризующим обобщенную чувствительность приемного устройства, и дифференциальным выходным сопротивлением. В ряде случаев электрический параметр определяет не толь-ко свойства самого СВЧ диода, но и свойства конкретного СВЧ устройства, в котором установлен данный диод.

Следует иметь в виду, что мощность, при которой происходит "выгорание" диода, сопровождающееся необратимыми ухудшениями вольтамперной характеристики или пробоем, весьма мала. Поэтому необходимо исключить всякие непредусмотренные воздействия и принять нужные меры защиты как при работе, так и при хранении СВЧ диода (например, недопустим разряд через диод статического электричества, накопленного на теле оператора; хранение диода в металлическом патроне и др.).

В устройствах миллиметрового диапазона волн (особенно интегральных) для построения мощных СВЧ усилителей широко применяют лавинно-пролетные диоды, а для построения СВЧ генераторов диоды Ганна. В этих диодах используется явление ограничения подвижности электронов в электрических полях с напряженностью выше критической, и в их вольтамперных характеристиках имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Лавинно-пролетные диоды работают в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода. В диодах Ганна (в структуре этих приборов нет выпрямляющего перехода) используется эффект возникновения электрических колебаний в пластине из арсенида галлия при приложении к ней постоянного напряжения, создающего электрическое поле с напряженностью более 105 В/м.

Выпускаемые промышленностью лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна рассчитаны на выходную СВЧ мощность в непрерывном режиме в несколько десятков милливатт. В импульсном режиме эта мощность может быть повышена на несколько порядков. Для увеличения выходной мощности нужны лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна с большей площадью электронно-дырочного перехода и большей площадью тонкой пленки полупроводника. При этом они должны быть однородны не только по толщине, но и по площади.

Рабочие частоты современных кремниевых СВЧ диодов приближаются уже к теоретическому пределу. Поэтому, чтобы еще улучшить частотные свойства, нужно использовать другой материал, а также разрабатывать полупроводниковые приборы с другим принципом действия.

2.1 Диод Ганна

Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) -- тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, т.е. все его свойства определяются не эффектами, которые возникают в местах соединения двух различных полупроводников, а собственными свойствами применяемого полупроводникового материала.

В отечественной литературе диоды Ганна называли приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, так как активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из "центральной" энергетической долины в "боковую", где они уже могут характеризоваться малой подвижностью и большой эффективной массой. В иностранной же литературе диоду Ганна соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device). диод ганн высокочастотный импульсный

На основе эффекта Ганна созданы генераторные и усилительные диоды, применяемые в качестве генераторов накачки в параметрических усилителях, гетеродинов в супергетеродинных приемниках, генераторов в маломощных передатчиках и в измерительной технике.

При создании низкоомных омических контактов, необходимых для работы диодов Ганна, существуют два подхода:

· Первый из них заключается в поисках приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный арсенид галлия.

· Второй подход заключается в изготовлении многослойной конструкции генератора. В диодах такой структуры на слой сравнительно высокоомного арсенида галлия, служащего рабочей частью генератора, наращивают с двух сторон эпитаксиальные слои относительно низкоомного арсенида галлия с электропроводностью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными прослойками от рабочей части прибора к металлическим электродам.

Диод Ганна традиционно состоит из слоя арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. Активная часть диода Ганна обычно имеет длину порядка l = 1-100 мкм и концентрацию легирующих донорных примесей n = 1014 ? 1016 см?3. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов -- «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.

Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его -- снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает -- порогового.

В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой.

На ВАХ полупроводникового прибора наличие падающего участка является не достаточным условием для возникновения в нём СВЧ колебаний, но необходимым. Наличие колебаний означает, что в пространстве кристалла полупроводника возникает неустойчивость волновых возмущений. Но такая неустойчивость зависит от параметров полупроводника ( профиля легирования, размеров, концентрации носителей и т.д.).

Рис.5. ВАХ диода Ганна

При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200--300мВт.

Диод Ганна может быть использован для создания генератора в 10 ГГц и выше (ТГц) диапазона частот. А резонатор, который может принимать форму волновода, добавляют для контроля частоты. Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом емкостной проводимости диода и может перестраиваться в широких пределах механическими и электрическими методами. Однако срок службы генераторов Ганна относительно мал ,что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев кристалла из-за выделяющейся в нем мощности.

Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1-100 ГГц. В непрерывном режиме реальные генераторы на диодах Ганна имеют КПД порядка 2-4% и могут обеспечить выходную мощность от единиц мВт до единиц Вт. Но при переходе в импульсный режим КПД увеличивается в 2-3 раза. Специальные резонансные системы, позволяющие добавить к мощности полезного выходного сигнала некоторые высшие гармоники, служат для увеличения КПД и такой режим называется релаксационным.

Существуют несколько разных режимов, в одном из которых генератор на диоде Ганна может совершать работу, в зависимости от питающего напряжения, температуры, свойства нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости.

Наиболее часто используемым режимом является доменный режим, для которого в течение значительной части периода колебаний, характерен режим существования дипольного домена. Доменный режим может иметь три различных вида: пролетный, с задержкой образования доменов и с гашением доменов, которые получаются при изменении сопротивления нагрузки.

Для диодов Ганна был так же придуман и осуществлен режим ограничения и накопления объемного заряда. Его существование имеет место, при больших амплитудах напряжения на частотах, в несколько раз больше пролетной частоты и при постоянных напряжениях на диоде, которые в несколько раз превышают пороговое значение. Однако существуют требования для реализации к данному режиму: нужны диоды с очень однородным профилем легирования. Однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде.

Наряду с арсенидом галлия и фосфидом индия InP (до 170 ГГц) методом эпитаксиального наращивания, для изготовления диодов Ганна также используется нитрид галлия (GaN) на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна -- 3 ТГц. Диод Ганна имеет низкий уровень амплитудных шумов и низкое рабочее напряжение питания (от единиц до десятков В).

Эксплуатация диодов происходит в резонансных камерах представляющие собой в виде микросхем на диэлектрических подложках с резонирующими емкостными и индуктивными элементами, либо в виде комбинации резонаторов с микросхемами.

3. Изготовление диодов

Технология изготовления диода может быть основана на любом из описанных выше методов получения р-гс-переходов на кремнии и германии. Однако прибор, обладающий наилучшими усилительными качествами, получается диффузионным способом, с помощью меза-технологии.

Технология изготовления диодов Ганна сравнительно несложна. Диоды изготавливают либо на основе монокристаллов, либо на основе эпитакси-альных пленок GaAs. Размеры пластин для изготовления диодов выбирают, исходя из условий режима их работы и требуемых параметров.

По параметрам и технологии изготовления диодов и тиристоров в тексте и таблицах приняты следующие сокращения: Si - кремний, Qe - германий, GaAs - арсепид галлия, СаР - фосфит галлия, Si(СO₃)₂ - карбид кремния.

Заключение

В этой работе мы рассмотрели принципы работы импульсного и высокочастотного диодов. Каждый из диодов имеет свои параметры, характеристики, и свое предназначение в электрической цепи. Диод -- электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу -- катодом.

Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа. Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое. Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления. Для уменьшения используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Требованиям, предъявляемым к импульсным диодам, хорошо удовлетворяют диоды на основе барьера Шоттки, которые имеют очень малую инерционность благодаря отсутствию инжекции и накопления неосновных носителей заряда в базе.

Высокочастотный диод применяется для линейных или нелинейных преобразований высокочастотных сигналов до 600 МГц. (СВЧ диоды - до 12 ГГц.) Он используется в схемах детекторов -- это выпрямители высокочастотных сигналов.

Для нормальной работы, чтобы сохранить одностороннюю проводимость на высокой частоте, эти диоды должны иметь точечную структуру участка пробоя. А также иметь такие параметры:

· Барьерная ёмкость Сб [мкФ]

· f_раб [МГц]

В современных импортных диодах используется такая характеристика, как "Время восстановления". В ультрабыстродействующих диодах она достигает величин 100 нс.

Список литературы

1. Алфёров Ж. И. // Физика и техника полупроводников. 1998. Т.32. №1. С.3-18.

2. Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. М., 1979.

3. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983.

4. Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники: Избранные труды. Л., 1972.

Размещено на Allbest.ru