Публикации / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Общие сведения о полупроводниковых диодах

П олупроводниковый диод (ППД) - это электропреобразовательный прибор с одним или несколькими выпрямляющими переходами и двумя выводами.

В качестве выпрямляющих переходов чаще всего используются р-n-переходы и переходы Шоттки. Выводы формируются с помощью невыпрямляющих переходов. Принцип работы основан на использовании основного свойства выпрямляющих переходов - односторонней проводимости.

Структура и УГО ППД, сформированного на основе р-n-перехода, представлены на рис.1.

Классификация ППД:

- по материалу изготовления - Ge, Si, GaAs;

- по геометрии ЭДП - плоскостные и точечные;

- по рабочей частоте - низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные, и сверхвысокочастот­ные.

- по мощности - маломощные, средней мощности, и мощные.

- по назначению и принципу действия - выпрямительные, универсальные, импульсные, Шоттки, переключательные, туннельные, лавинопролетные, обращенные, варикапы, стабилитроны и т.п.

Корпуса ППД - керамические, стеклянные, пластмассовые, металлокерамические, металлостеклянные, металлопластмассовые. В отдельных случаях выпускаются ППД бескорпусные. Выводы могут быть гибкими и жесткими.

Рис.1.

Краткая характеристика методов формирования полупроводниковых диодов.

При разработке ППД исходят из назначения их и условий эксплуатации (работы в составе радиоэлектронной аппаратуры - РЭА). К таким условиям в первую очередь относятся рабочие и допустимые токи, напряжения и частоты. Знание этих условий позволяет сформулировать основные требования к диодам и пути удовлетворения их.

В простейшем случае токи определяются площадями р-n-переходов: чем больше площадь, тем больше допустимый ток и наоборот. Рабочие и пробивные напряжения определяются толщиной ЭДП и шириной 33 используемых полупроводников. Предельные частоты определяются подвижностями используемых НЗ и емкостями ЭДП, а емкости, в свою очередь, определяются площадями переходов.

Исходя из этого примитивного анализа, следует сделать следующие выводы:

1) Для работы в слаботочных высокочастотных устройствах РЭА пригодны ППД с малыми площадями ЭДП, сформированные на основе полупроводников n-типа. При этом германий предпочтительнее, т. к. . Такими диодами являются точечные германиевые диоды.

2) Для работы в низкочастотных сильноточных устройствах необходимы ППД с большими площадями ЭДП - плоскостные диоды.

3) Для работы с большими напряжениями необходимы ППД с толстыми ЭДП, построенные на основе полупроводников с большими запрещенными зонами .

Из трех хорошо освоенных полупроводников (Ge, Si, GaAs) наиболее подходящими для этого являются кремний и арсенид галлия.

Точечные ППД. У точечных ППД р-n-переход образуется контактом металлической иглы с полупроводником (рис.2,а). Слой р-типа образуется в n-германии в результате термодиффузии акцепторной примеси с конца иглы при формовке, т. е. при пропускании через контакт больших импульсов тока. Образующийся при этом р-n-переход имеет малую площадь (не более 50 мкм²), вследствие чего малыми оказываются его емкость (доли пФ), мощность рассеяния (до 10 мВт) и прямой ток (10-20 мА).

ВАХ точечных диодов отличается от классической: экспоненциальная прямая ветвь вырождается и приближается к параболической, а обратная имеет малозаметный участок насыщения и участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис.3). Это объясняется неоднородностью р-области и ростом температуры из-за трудностей теплоотвода.

Главным достоинством таких ППД является малая емкость и обусловленная ею высокая предельная частота, составляющая 300-600 МГц.

Область применения - слаботочные высокочастотные радиоэлектронные схемы:

Плоскостные ППД Плоскостные ППД изготавливают путем внедрения в монокристалл полупроводника с определенным типом проводимости примесей с противоположным типом проводимости, Например, если исходный кристалл p-типа то в него вводится акцепторная примесь, а если исходный кристалл р-типа, то вводится донорная примесь

В связи с тем, что донорные полупроводники чище, а подвижность их основных НЗ (электронов) выше, чем дырок, в качестве базового полупроводника чаще используют полупроводники n-типа. Большая подвижность увеличивает быстродействие, а чистота - увеличивает пробивное напряжение ЭДП.

Рис.2.

В качестве акцепторного материала для германия применяют индий, а для кремния алюминий.

Внедрение акцепторных примесей в исходный кристалл полупроводника n-типа осуществляется или вплавлением или диффузией. В первом случае ППД называется плоскостным сплавным, а во втором - плоскостным диффузионным.

Сплавной плоскостной р-n-переход изготавливается вплавлением в германиевую пластину таблетки индия, а в кремниевую - алюминия. Происходящие при этом процессы одинаковы, поэтому рассмотрим их на примере формирования германиевого перехода. При нагревании индий плавится, растворяет приграничные области германия и диффундирует в него. При охлаждении расплавленный германий с диффундировавшими в него атомами индия наращивается на твердую часть кристалла в виде рекристаллизированного слоя. В этом слое германия много атомов индия, поэтому он приобретает проводимость р-типа. Между кристаллической пластиной германия n-типа и рекристаллизован-ным слоем германия р-типа образуется резкий р-n-переход (рис.2,б). Рекристаллизированный слой низкоомный и является эмит­тером, а высокоомный n-Ge - базой. К индию и нижней части пластины припаиваются выводы, а вся конструкция помещается в корпус.

Диффузионный плоскостной р-я-переход изготавливается на основе германия р-типа или кремния л-типа. Диффузантами в первом случае является сурьма (Sb), а во втором - бор (В). Диффузия осуществляется при нагреве в во­дородной печи.

При изготовлении германиевого диффузионного перехода пластина Ge на­гревается до температуры, близкой к температуре плавления, а таблетка сурьмы до испарения. В этих условиях атомы Sb напыляются на поверхность пластины и диффундируют в глубь ее. Вследствие этого на поверхности кристалла Ge об­разуется слой Ge n-типа. Последующим травлением этот слой удаляется со всех граней пластинки, кроме одной. Между диффузионным слоем германия n-типа и пластинкой Ge р-типа образуется плавный р-n-переход (рис.2,в), в котором эмиттером является высоколегированный диффузионный слой.

Метод диффузии позволяет достаточно точно контролировать процесс из­готовления ЭДП, вследствие чего обеспечивается однородность параметров из­готовляемых переходов.

Конструктивно плоскостные ППД оформляются в металлические корпуса с выводами. Для улучшения теплоотвода кристалл припаивается непосредственно к корпусу, который служит одним из выводов.

Плоскостные диоды имеют большие площади ЭДП, вследствие чего им присущи большие емкости и большие рабочие токи (до сотен и даже тысячи ампер). Используются в низкочастотных мощных электронных устройствах.

Микросплавные и мезадиоды. Из рассмотренного следует, что точечные ППД относятся к маломощным высокочастотным, а плоскостные - к мощным низкочастотным приборам. Однако в радиоэлектронной аппаратуре большим спросом пользуются диоды с промежуточными значениями мощностей рассея­ния и рабочих частот. Этим потребностям отвечают микросплавные и мезадиоды.

Микросплавные ППД формируются методом микровплавления а кристалл германия тонкой золотой проволочки с присадкой галлия, что позволяет полу­чить площадь ЭДП несколько большую, чем у точечных, но существенно мень­шую нежели у плоскостных. Следствием этого является увеличение емкости диода, что несколько снижает продельную частоту, но увеличивает рабочие то­ки. Такие ППД выгодно отличаются от точечных большой стабильностью па­раметров.

Рис.3.

Мезадиоды формируются методом диффузии с последующим химическим травлением. Размеры вытравляемых (удаляемых) участков определяются тре­буемым размером ЭДП (рис.2,д). Изменяя размеры удаляемых участков, по­лучают требуемую площадь ЭДП, которая определяет как рабочие токи, так и предельные частоты. Название "меза" (стол по-испански) происходит от внеш­него вида структуры.

Планарные и планарно-эпитаксиальные диоды. Высокой надежностью, стабильностью параметров и большим сроком службы характеризуются пла­нарные диффузионные диоды. Все структурные элементы таких ППД располо­жены на одной поверхности (в одном плане - отсюда и название "планарные"),а диффузия примеси осуществляется через "окно" в оксидной пленке - рис.2,е. Пленка защищает кристалл от внешних воздействий и уменьшает токи утечки, что и определяет достоинства диода.

Наиболее перспективными диодами являются планарно-эпитаксиальные, представляющие собой планарные диоды, формируемые в эпитаксиальном слое (рис.2,ж). Эпитаксия - это процесс наращивания монокристаллического слоя на подложку с сохранением ориентации кристаллов подложки. Эпитаксия по­зволяет выращивать слои любого типа проводимости, требуемого удельного со­противления и любой толщины (до нескольких микрометров).

Последовательность изготовления ППД: выбор подложки с повышен­ной проводимостью, наращивание эпитаксиального л-слоя с пониженной про­водимостью, окисление, формирование "окна" в оксидном слое, диффузия донорной примеси в эпитаксиальный слой, формирование выводов, монтаж в кор­пус.

Достоинства планарно-эпитаксиальных ППД:

1) малая величина С_бар, т. к. ЭДП имеет большую толщину, вследствие то­го, что эпитаксиальный слой низколегированный;

2) большая величина допустимого обратного напряжения, т.к. ЭДП тол­стый;

3) малая величина потерь при прямом смещении, т. к. сопротивление базы определяется главным образом сопротивлением подложки, а подложка сильно-легирована и поэтому имеет малое сопротивление.