БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ПО)

А. Г. Беда. В. С. Кафтанов.

Полупроводниковые детекторы; штриховкой выделена чувствительная область; n — область полупроводника с электронной проводимостью, р — с дырочной, i — с собственной проводимостями; а — кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б — дрейфовый германий-литиевый планарный детектор; в — германий-литиевый коаксиальный детектор.

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

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

На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные П. д., имеющие допустимый выпрямленный ток I в до 300 а и максимальное допустимое обратное напряжение U* обр от 20—30 в до 1—2 кв. П. д. аналогичного применения для слаботочных цепей имеют I в < 0,1 а и называются универсальными. При напряжениях, превышающих U* o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n -перехода, приводящий к выходу П. д. из строя. С целью повышения U* обр до нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которых несколько одинаковых выпрямительных П. д. соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники ) составляет > 10 -5—10 -4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50—2000 гц ) .

Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10 -7 — 10 -10 сек и создать быстродействующие импульсные П. д., используемые, наряду с диодными матрицами, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р—n -перехода — резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации U cт . На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с U c т от 3—5 в до 100—150 в применяют главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается исключительно высокая температурная стабильность U cт (до 1×10 -5— 5×10 -6К -1), — в качестве источников эталонного и опорного напряжений.

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

Для детектирования и преобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные П. д. и видеодетекторы, в большинстве которых р—n -переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости С в ( рис. 3 ), а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности L k и ёмкости С к и возможность монтажа диода в волноводных системах.

При подаче на р—n -переход обратного смещения, не превышающего U* обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость С в зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах , служащих для усиления СВЧ колебаний, в варакторах и умножительных диодах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих П. д. стремятся уменьшить величину сопротивления r б (основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости С в от напряжения U o6p.

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