3 (Лекции - преподаватель Григорьев Владимир Калистратович), страница 2

Мы рассмотрели реальные свойства полупроводникового диода. А теперь рассмотрим применения диода.

Самое простое и очевидное применение р-п перехода – это использование его в качестве выпрямителя. Но здесь важно отметить, зачем делается выпрямление электрического тока. Прежде всего это выпрямление переменного тока для питания различной аппаратуры постоянным током. Это обычно 50 Гц или 60 Гц – довольно низкая частота. Поэтому быстродействие от этих диодов не требуется, но требуется пропускание довольно большого тока, достигается за счёт большой поверхности р-п перехода. Это так называемые силовые диоды.

Выпрямление тока происходит по следующей схеме:

От источника электродвижущей силы ток проходит через диод и затем через сопротивление нагрузки. На сопротивлении нагрузки выделится напряжение, похожее на диаграмму тока, т.е. напряжение будет одного знака, но очень пульсирующим, что недопустимо. Можно, конечно, усложнить схему за счёт использования четырёх диодов, тогда не будет пропусков, но импульсность останется. Поэтому применяют фильтрацию сигнала, в простейшем случае применяют просто конденсатор:

Другая ситуация возникает при использовании диода для выпрямления радиосигнала. Здесь другие частоты – от сотен килогерц до сотен Мегагерц. Поэтому главное требование к диоду – это его высокочастотность. Поэтому диоды делают маленькой площади и даже точечными, чтобы уменьшить их паразитную ёмкость. Здесь ещё остались точечные диоды.

Иногда используют вертикальный участок обратной ветви диода для стабилизации напряжения. Диоды, специально изготовленные для этого, называются стабилитронами. Важно уметь изготавливать стабилитроны на разное напряжение, т.е. сделать р-п переход с нужным значением пробивного напряжения. Этого легко добиться, подбирая нужную степень легирования (концентрацию доноров и акцепторов в п- и р-типе).

Паразитная ёмкость р-п перехода не всегда вредна. Иногда, когда ёмкость важна, р-п переход используют в качестве конденсатора. Особенно важно то, что его ёмкость можно регулировать, прикладывая разные обратные напряжения. Специально изготовленные для этого диоды называют варикапами.

Несколько отличные диоды получаются, когда р- и п-области сильно легированы, так что уровни Ферми слегка выходят в соответствующие зоны:

О
бласть объёмного заряда очень маленькая, так как велики копцентрации примесей – доноров и акцепторов. Поэтому очень велика вероятность того, что электроны из валентной зоны сразу переходят в зону проводимости (и обратно). В такой структуре при малых напряжениях протекают очень большие токи. При небольших смещениях в прямом направлении высота барьера уменьшается, и исчезает перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, ток уменьшается, а затем, когда барьер вовсе исчезает, ток снова растёт. Это так называемый тунельный диод. Его характеристика показана на рис.:

Важная особенность тунельного диода – это то, что он имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это позволяет сделать на нём простой генератор переменного сигнала, причём очень высокочастотный (СВЧ).

Особенно важно то, что р-п переход может взаимодействовать с различными излучениями. Если р-п переход взаимодействует со светом, его называют фотодиодом.

С точки зрения квантовой механики свет можно рассматривать двояко: с одной стороны это электромагнитная волна, а с другой стороны это поток частиц – фотонов. Взаимодействие полупроводника и света удобнее рассматривать с точки зрения фотонов.

Когда фотон попадает в полупроводник, он может столкнуться с электроном валентной зоны. При этом фотон отдаёт электрону и исчезает. Если фотон из видимой части спектра, его энергии вполне достаточно, чтобы произошла фотогенерация электрона и дырки (электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаётся дырка).

Когда фотон попадает в нейтральную область, то родившиеся пары (электрон и дырка), поблуждав некоторое время, могут встретиться и рекомбинировать. Таким образом, так как время жизни пар мало, эффект очень слабый. Совсем другое дело, если фотон поглотился в области объёмного заряда – тогда родившаяся пара разделяется электрическим полем этой области, так что после поглощения одного фотона через р-п переход пройдёт ток в один заряд.

Если фотодиод включён в коротко замкнутую цепь, то чем больше поток фотонов, тем больше фототок, такие фотодиоды используются для регистрации освещённости.

Если фотодиод включён в разомкнутую цепь, то фотогенерация приведёт к заряду областей: п-область – отрицательно, р-область – положительно. Но при этом уменьшится высота потенциального барьера, а следовательно, величина электрического поля в области объёмного заряда. В конце концов на р-п переходе появится разность потенциалов, равная контактной разности потенциалов U_n , и дальнейшее разделение пар фотогенерации прекратится.

Это обычно используется в солнечных батареях, где собирается в общую батарею большое количество дешёвых кремниевых диодов большой площади. Контактная разность потенциалов их составляет 0,6...0,7 В.

Полупроводниковые диоды используют также в качестве излучателей света – это так называемые светодиоды. К сожалению ни германий, ни кремний не могут излучать фотоны, так как они непрямозонные. Прямозонные полупроводники изображены слева (например AsGa), а Ge и Si справа

В
германии и кремнии боковой минимум расположен несколько ниже основного, и его заполняют электроны, поэтому они могут рекомбинировать только с выделением энергии и импульса, а в AsGa зоны прямые, и рекомбинация происходит без выделения импульса (выделяется только энергия). Поэтому в германии и кремнии выделяются фононы (имеющие примерно такой импульс), а в арсениде галлия – фотоны (не имеющие импульса).

Но в арсениде галлия длина волны излучения больше 1 мкм, т.е. он излучает в инфракрасной области спектра. Подходящая длина волны получается в фосфиде галлия, так как у него более широкая запрещённая зона, и это соответствует видимому свету.