9.4. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный электронный прибор, изготовленный на основе полупроводникового кристалла. Понятие “полупроводниковый диод” объединяет приборы с различными принципами действия, имеющие разнообразное назначение.

Полупроводниковые диоды, работа которых основана на использовании p – n перехода получили наибольшее применение. Название “полупроводниковый диод” связано с возникшим первым предназначением для преобразования переменного тока (с частотой, как правило, до 5 кГц) в постоянный ток. Работа выпрямительных полупроводниковых диодов основана на нелинейности вольт – амперной характеристики (ВАХ). Характерной особенностью выпрямительных полупроводниковых диодов является разнообразие вольтамперных и других характеристик, что позволяет их использовать в режимах переключения электрических цепей, в качестве стабилизаторов и ограничителей постоянного и импульсного напряжения, источников опорного напряжения и в потенциометрических устройствах. Частотный предел выпрямительных полупроводниковых диодов ограничен инерционностью, определяемой временем жизни неосновных носителей заряда.

Тем не менее, уже удалось создать импульсные полупроводниковые диоды со временем переключения 10^-7 – 10^-11 с.

При определенных обратных (т.н. пробивных) напряжениях  в p – n переходе возникает электрический пробой, приводящий к резкому возрастанию тока при практически неизменном напряжении на полупроводниковом диоде. На этом эффекте основана работа полупроводниковых стабилизаторов.

Инерционность развития лавинного пробоя в p – n переходе обуславливает возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в диапазоне СВЧ, связанного со сдвигом фаз в между токами и напряжениями в диоде. Этот принцип лежит в основе работы лавинно – пролетных диодов, применяемых для генерации СВЧ колебаний, частотный предел которых достигает 150 ГГц. Лавинный пробой p – n перехода сопровождается значительными флуктуациями, что используется в шумовых диодах.

Полупроводниковый переход при подаче обратного напряжения (не превышающего U_обр) ведет себя как конденсатор, емкость С_Б которого зависит от приложенного напряжения. Это свойство используется в варикапах, применяемых для электронной настройки резонансных частот колебательных контуров в параметрических СВЧ диодах, служащих для усиления амплитуды сигнала, в умножительных СВЧ диодах – для умножения частоты сигнала.

К полупроводниковым СВЧ диодам также относят туннельные диоды и обращенные диоды, действие которых основано на туннельном эффекте, возникающем в p – n переходе шириной не более 10^-2 мкм. Практическая безынерционность этих приборов в диапазоне СВЧ обеспечивает усиленную работу туннельных диодов в импульсных устройствах (мультивибраторах, триггерах и др.), в усилителях и генераторах электрических колебаний, в обращенных диодах – в качестве детекторов и смесителей СВЧ – сигналов.

Особую группу полупроводниковых диодов (не содержащих p – n перехода) составляют диоды с междоменным переходом электронов (диоды Ганна), в которых благодаря особенностям зонной структуры определенного класса полупроводников (например, GaAs, InP) в сильном электрическом поле возникает отрицательная дифференциальная проводимость. Диоды Ганна используются для усиления и генерации СВЧ колебаний с частотой до 100 ГГц.

Свойство фотонов и ядерных частиц образовывать электронно – дырочные пары и увеличивать тем самым обратный ток p – n -  перехода при поглощении излучения в активной области полупроводникового кристалла, непосредственно положено в основу фотодиодов и полупроводниковых детекторов ядерных излучений.

Излучательная рекомбинация электронов и дырок в условиях протекания через p – n переход прямого тока, характерная для полупроводниковых структур используется в светодиодах и полупроводниковых лазерах.

Более подробно принцип работы фотодиодов, светодиодов и полупроводниковых лазеров мы рассмотрим в лекции, посвященной фотоэлектрическим и термоэлектрическим явлениям.

От своих электровакуумных аналогов (например, кенотрона, газоразрядного стабилитрона) полупроводниковый диод отличается как правило большей надежностью и долговечностью, малыми размерами, лучшими техническими характеристиками и значительно меньшей стоимостью. Возможность реализации различных свойства полупроводниковых диодов в совокупности с транзисторами в миниатюрных гомо- и гетероструктурных интегральных схем и микросхем (микрочипов) существенным образом определяет динамику развития важнейших направлений научной и технической деятельности человека.