ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЙ ДИО́Д

ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЙ ДИО́Д, по­лу­про­вод­ни­ко­вый при­бор с дву­мя элек­тро­да­ми, об­ла­даю­щий од­но­сто­рон­ней элек­трич. про­во­ди­мо­стью. По­ня­тие «П. д.» объ­е­ди­ня­ет при­бо­ры с разл. прин­ци­па­ми дей­ст­вия, имею­щие раз­но­об­раз­ное на­зна­че­ние. Дей­ст­вие П. д. обу­слов­ле­но свой­ст­ва­ми p–n-пе­ре­хо­да, кон­так­та ме­талл– по­лу­про­вод­ник (см. Шотт­ки барь­ер) ли­бо объ­ём­ным эф­фек­том до­мен­ной не­ус­той­чи­во­сти од­но­род­но­го ПП (см. Ган­на эф­фект).

Структурная схема полупроводникового диода с р–n-переходом: 1 – полупроводниковый кристалл; 2 – выводы (токоподводы); 3 – электроды (омические контакты); 4 – плоскость р&...

П. д., ра­бо­та ко­то­рых ос­но­ва­на на ис­поль­зо­ва­нии р–n-пе­ре­хо­да, по­лу­чи­ли наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние. При при­ло­же­нии к дио­ду (рис.) на­пря­же­ния в пря­мом на­прав­ле­нии (по­ло­жи­тель­ный по­люс ис­точ­ни­ка пи­та­ния со­еди­нён с об­ла­стью р-ти­па, от­ри­ца­тель­ный – с об­ла­стью n-ти­па) по­тен­ци­аль­ный барь­ер пе­ре­хо­да по­ни­жа­ет­ся и че­рез ди­од про­те­ка­ет боль­шой пря­мой ток. При по­да­че на­пря­же­ния об­рат­ной по­ляр­но­сти по­тен­ци­аль­ный барь­ер по­вы­ша­ет­ся и че­рез р–n-пе­ре­ход про­те­ка­ет очень ма­лый ток не­ос­нов­ных но­си­те­лей за­ря­да (об­рат­ный ток). На этом свой­ст­ве ос­но­ва­на ра­бо­та вы­пря­ми­тель­ных дио­дов, пред­на­зна­чен­ных для пре­об­ра­зо­ва­ния пе­ре­мен­но­го то­ка НЧ (как пра­ви­ло, до 5 кГц) в по­сто­ян­ный ток. Час­тот­ный пре­дел вы­пря­ми­тель­но­го П. д. ог­ра­ни­чен инер­ци­он­но­стью, оп­ре­де­ляе­мой вре­ме­нем жиз­ни не­ос­нов­ных но­си­те­лей за­ря­да.

Ле­ги­ро­ва­ние по­лу­про­вод­ни­ков при­ме­ся­ми (в осн. зо­ло­том) по­зво­ли­ло су­ще­ст­вен­но умень­шить вре­мя жиз­ни но­си­те­лей за­ря­да и соз­дать бы­ст­ро­дей­ст­вую­щие им­пульс­ные дио­ды (со вре­ме­нем пе­ре­клю­че­ния до 10^–10 с), пред­на­зна­чен­ные гл. обр. для ра­бо­ты в ре­жи­ме пе­ре­клю­че­ния элек­трич. це­пей. При оп­ре­де­лён­ных об­рат­ных (т. н. про­бив­ных) на­пря­же­ни­ях в р–n-пе­ре­хо­де воз­ни­ка­ет элек­трич. про­бой, при­во­дя­щий к рез­ко­му воз­рас­та­нию то­ка; на этом эф­фек­те ос­но­ва­на ра­бо­та ПП ста­би­ли­тро­нов, при­ме­няе­мых гл. обр. в ста­би­ли­за­то­рах и ог­ра­ни­чи­те­лях по­сто­ян­но­го и им­пульс­но­го на­пря­же­ния, а так­же в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ка опор­но­го на­пря­же­ния.

Инер­ци­он­ность раз­ви­тия элек­трич. про­боя в р–n-пе­ре­хо­де обу­слов­ли­ва­ет воз­ник­но­ве­ние от­ри­ца­тель­но­го диф­фе­рен­ци­аль­но­го со­про­тив­ле­ния в СВЧ-диа­па­зо­не, свя­зан­но­го со сдви­гом фаз ме­ж­ду то­ком и на­пря­же­ни­ем в дио­де. Этот прин­цип ле­жит в ос­но­ве дей­ст­вия ла­вин­но-про­лёт­ных дио­дов, слу­жа­щих для ге­не­ра­ции СВЧ-ко­ле­ба­ний на час­то­тах до 150 ГГц.

Элек­трон­но-ды­роч­ный пе­ре­ход при по­да­че об­рат­но­го на­пря­же­ния ве­дёт се­бя как кон­ден­са­тор, ём­кость ко­то­ро­го за­ви­сит от при­ло­жен­но­го на­пря­же­ния. Это свой­ст­во ис­поль­зу­ет­ся в ва­ри­ка­пах, при­ме­няе­мых для элек­трон­ной пе­ре­строй­ки час­то­ты ко­ле­ба­тель­ных кон­ту­ров, а так­же в па­ра­мет­рич. и ум­но­жи­тель­ных П. д., пред­на­зна­чен­ных для уси­ле­ния ам­пли­ту­ды и ум­но­же­ния час­то­ты СВЧ-си­г­на­ла. Для управ­ле­ния уров­нем мощ­но­сти (или фа­зы) СВЧ-сиг­на­ла слу­жат пе­ре­клю­ча­тель­ные и ог­ра­ни­чи­тель­ные П. д., дей­ст­вие ко­то­рых ос­но­ва­но на рез­ком из­ме­не­нии их элек­трич. со­про­тив­ле­ния при из­ме­не­нии по­ляр­но­сти под­во­ди­мо­го на­пря­же­ния. К ПП СВЧ-дио­дам от­но­сят­ся так­же тун­нель­ные дио­ды, об­ла­даю­щие вы­со­ким бы­ст­ро­дей­ст­ви­ем, что обес­пе­чи­ва­ет их ус­пеш­ную ра­бо­ту в ка­че­ст­ве ге­не­ра­то­ров СВЧ-ко­ле­ба­ний и ВЧ-пе­ре­клю­ча­те­лей.

Свой­ст­во ио­ни­зи­рую­щих из­лу­че­ний об­ра­зо­вы­вать элек­трон­но-ды­роч­ные па­ры и уве­ли­чи­вать тем са­мым об­рат­ный ток р–n-пе­ре­хо­да при по­гло­ще­нии из­лу­че­ния в об­лас­ти кри­стал­ла по­лу­про­вод­ни­ка, не­по­сред­ст­вен­но при­мы­каю­щей к пе­ре­хо­ду, по­ло­же­но в ос­но­ву фо­то­дио­дов и по­лу­про­вод­ни­ко­вых де­тек­то­ров. Из­лу­ча­тель­ная ре­ком­би­на­ция элек­тро­нов и ды­рок в ус­ло­ви­ях про­те­ка­ния че­рез р–n-пе­ре­ход пря­мо­го то­ка, ха­рак­тер­ная для не­ко­то­рых по­лу­про­вод­ни­ко­вых струк­тур, ис­поль­зу­ет­ся в све­то­из­лу­чаю­щих дио­дах и ин­жек­ци­он­ных ла­зе­рах. Спектр из­лу­че­ния оп­ре­де­ля­ет­ся ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны по­лу­про­вод­ни­ка, а так­же ле­ги­рую­щи­ми при­ме­ся­ми, об­ра­зую­щи­ми из­лу­ча­тель­ные цен­тры ре­ком­би­на­ции.

Осо­бую груп­пу П. д. (не со­дер­жа­щих р–n-пе­ре­хо­да) со­став­ля­ют Ган­на дио­ды, в ко­то­рых бла­го­да­ря осо­бен­но­стям зон­ной струк­ту­ры оп­ре­де­лён­но­го клас­са по­лу­про­вод­ни­ков (напр., GaAs, GaР) в силь­ном элек­трич. по­ле воз­ни­ка­ет от­ри­ца­тель­ная диф­фе­рен­ци­аль­ная про­во­ди­мость; при­ме­ня­ют­ся для уси­ле­ния и ге­не­ра­ции СВЧ-ко­ле­ба­ний на час­то­тах до 100 ГГц.

В отд. слу­ча­ях на­зва­ние от­ра­жа­ет струк­тур­ные осо­бен­но­сти П. д. Напр., в р–i–n-дио­дах ме­ж­ду вы­со­ко­ле­ги­ро­ван­ны­ми р- и n-об­лас­тя­ми име­ет­ся дос­та­точ­но ши­ро­кая об­ласть с низ­кой про­во­ди­мо­стью, близ­кой к собств. про­во­ди­мо­сти по­лу­про­вод­ни­ка (i-об­ласть). П. д. с р–i–n-струк­ту­рой при­ме­ня­ют­ся в силь­но­точ­ных вы­со­ко­вольт­ных вы­пря­ми­те­лях, СВЧ-пе­ре­клю­ча­те­лях и ог­ра­ни­чи­те­лях, бы­ст­ро­дей­ст­вую­щих фо­то­де­тек­то­рах и др. В Шотт­ки дио­дах слой, обед­нён­ный осн. но­си­те­ля­ми за­ря­да в при­по­верх­но­ст­ной об­лас­ти по­лу­про­вод­ни­ка, воз­ни­ка­ет из-за раз­ни­цы в ра­бо­тах вы­хо­да по­лу­про­вод­ни­ка и ме­тал­ла. Та­кие П. д. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в ка­че­ст­ве вы­пря­ми­тель­ных и им­пульс­ных дио­дов.

По кон­ст­рук­тив­но-тех­но­ло­гич. при­зна­ку П. д. клас­си­фи­ци­ру­ют на сплав­ные, из­го­тов­ляе­мые вплав­ле­ни­ем ме­тал­ла в по­лу­про­вод­ник (р–n-пе­ре­ход об­ра­зу­ет­ся на гра­ни­це рас­пла­ва, обо­га­щён­но­го при­ме­сью, обес­пе­чи­ваю­щей про­ти­во­по­лож­ный по­лу­про­вод­ни­ку тип про­во­ди­мо­сти); диф­фу­зи­он­ные, из­го­тов­ляе­мые вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной диф­фу­зи­ей при­ме­сей, на­пы­лён­ных на по­верх­ность кри­стал­ла (варь­и­руя темп-ру и дли­тель­ность диф­фу­зи­он­но­го про­цес­са, мож­но управ­лять глу­би­ной «за­ле­га­ния» р–n-пе­ре­хода); эпи­так­си­аль­ные, в ко­то­рых р–n-пе­ре­ход по­лу­ча­ет­ся в про­цес­се эпи­так­си­аль­но­го на­ра­щи­ва­ния ПП-плён­ки на мо­но­кри­стал­ле то­го же ве­ще­ст­ва, но с про­ти­во­по­лож­ным ти­пом про­во­ди­мо­сти; то­чеч­но-кон­такт­ные, где р–n-пе­ре­ход (или барь­ер Шотт­ки) об­ра­зу­ет­ся вбли­зи кон­так­та ме­тал­ли­че­ско­го (напр., вольф­ра­мо­во­го) ост­рия с по­лу­про­вод­ни­ком.