ТехнологiчнI основи електронiки

 

1.2 Електровакуумні діоди

Електровакуумний діод - електронна лампа з двома електродами (катод і анод). Різновид діода. Використовується в детекторах (амплітудних або  частотних) і в випрямлячах. Високовольтна  різновид - кенотрон.  

Електровакуумний діод являє  собою скляний або металевий  балон, з якого відкачано повітря  і всередині якого знаходяться  катод і анод. Від цих електродів крізь стінки балона проходять виводи. Якщо балон скляний, то виводи впаяні у скло. Якщо ж балон металевий, то виводи виходять через скляні або керамічні намистини, впаяні в металл [3].

Принцип дії: при розігріві катода електрони почнуть покидати поверхню останнього за рахунок термоелектронної емісії. Покинули поверхню електрони будуть перешкоджати вильоту інших електронів, у результаті навколо катода утворюється свого роду хмара електронів. Частина електронів з найменшими швидкостями із хмари падає назад на катод. При заданій температурі катода хмара стабілізується: на катод падає стільки ж електронів, скільки з нього вилітає. При подачі на катод негативного електричного потенціалу, а на анод - позитивного виникає електричне поле, яке змушує електрони рухатися від катода до аноду. Тим самим у ланцюзі з'являється ток. Якщо ж на катод поданий «+», а на анод «-» (зворотне включення), електричне поле перешкоджає руху електронів, які залишають катод і струм не тече [4].

Розглянемо ВАХ  діода, яка зображена на рисунку 1.4.

 

Рисунок 1.4 – ВАХ електровакуумного  діода.

 

Вольт-амперна характеристика електровакуумного діода має 3 ділянки:

1. Нелінійна ділянка. На початковій ділянці ВАХ струм повільно зростає при збільшенні напруги на аноді, що пояснюється протидією полю анода об'ємного негативного заряду електронної хмари. У порівнянні зі струмом насичення, анодний струм при Ua = 0 дуже малий (і не показаний на схемі). Його залежність від напруги зростає експоненціально, що обумовлюється розкидом початкових швидкостей електронів. Для повного припинення анодного струму необхідно докласти певних анодна напруга менше нуля, зване замикаючим.
2. Ділянка закону «трьох других». Залежність анодного струму від напруги характеризується законом Ленгмюра-Чайльд-Богуславського (так само званим законом «трьох других»).

3. Ділянка насичення. При подальшому збільшенні напруги на аноді зростання струму сповільнюється, а потім повністю припиняється так як всі електрони, що вилітають з катода, досягають анода. Подальше збільшення анодного струму при даній величині напруження неможливо, оскільки для цього потрібні додаткові електрони, а їх взяти ніде, тому що вся емісія катода вичерпана. Усталеною в цьому режимі анодний струм називається струмом насичення. Ця ділянка описується законом Річардсона-Дешмана.

ВАХ анода залежить від  напруги напруження - чим більше напруження, тим більше крутість ВАХ  і тим більше струм насичення. Однак збільшення напруги напруження призводить до зменшення терміну  служби лампи.

 

1.3 Спеціальні види діодів

Сьогодні існує дуже багато різновидів діодів:

1. Стабілітрон (діод Зенера) - напівпровідниковий діод, призначений для підтримки напруги джерела живлення на заданому рівні [5]. Використовують зворотню гілку характеристики діода зі зворотнім пробоєм для стабілізації напруги.
2. Тунельний діод – напівпровідниковий прилад, у якому на прямій гілки ВАХ існує ділянка з від’ємним диференціальним опором [6].
3. Варикап  - напівпровідниковий діод, робота якого заснована на залежності бар'єрної ємності pn переходу від зворотної напруги. Варикапи застосовуються в якості елементів з електрично керованою ємністю в схемах перебудови частоти коливального контуру, ділення і множення частоти, частотної модуляції, керованих фазовращателей і ін. [7].
4. Світлодіод - напівпровідниковий прилад з електронно-дірковим переходом або контактом метал-напівпровідник, що створює оптичне випромінювання при пропусканні через нього електричного струму. Випромінюване світло лежить у вузькому діапазоні спектра.
5. Фотодіод - приймач оптичного випромінювання, який перетворює потрапившу на його фото чутливу область світло в електричний заряд за рахунок процесів в p-n переході.
6. Діод Ганна (винайдений Джоном Ганном в 1963 році) - тип напівпровідникових діодів, що використовується для генерації і перетворення коливань в діапазоні НВЧ. На відміну від інших типів діодів, принцип дії діода Ганна заснований не на властивостях pn-переходів, а на власних об'ємних властивостях напівпровідника [8].
7. Діод Шотткі (також правильно Шотки, скорочено ДШ) - напівпровідниковий діод з малим падінням напруги при прямому включенні. Названий на честь німецького фізика Вальтера Шотткі. Діоди Шотткі використовують перехід метал-напівпровідник в якості бар'єру Шотткі (замість pn переходу, як у звичайних діодів). Допустима зворотня напруга промислово зроюлених діодів Шотткі обмежена 250 В (MBR40250 і аналоги), на практиці більшість діодів Шотткі застосовується в низьковольтних ланцюгах при зворотній напрузі порядку одиниць і декількох десятків вольт.
8. Стабістор (раніше нормістор) - напівпровідниковий діод, в якому для стабілізації напруги використовується пряма гілка вольт-амперної характеристики (тобто в області прямого зміщення напруга на стабістора слабо залежить від струму) [9]. Відмінною особливістю стабисторов в порівнянні зі стабілітронами є менша напруга стабілізації, яке становить приблизно 0, 7 В.
9. Магнітодіод - напівпровідниковий прилад з pn переходом і невипрямляючімі контактами, між якими знаходиться область високоомного напівпровідника. Дія приладу заснована на магнітодіодному ефекті.
10. Змішувальний діод - призначений для перемножування двох високочастотних сигналів.
11. Pin діод - містить область власної провідності між сильнолегованими областями. Використовується в НВЧ-техніці, силової електроніки, як фотодетектор.
12. Лавинний діод - діод, заснований на лавинному пробої зворотної ділянки вольт-амперної характеристик. Застосовується для захисту ланцюгів від перенапруг.

Розглянемо деякі з  них.

 

1.3.1 Стабілітрон

Стабілітрон (діод Зенера) - напівпровідниковий діод, призначений  для підтримки напруги джерела  живлення на заданому рівні. У порівнянні зі звичайними діодами має достатньо низьке регламентоване напруга пробою (при зворотному включенні) і може підтримувати цю напругу на постійному рівні при значній зміні сили зворотного струму. Матеріали, використовувані для створення pn переходу стабілітронів, мають високу концентрацію легуючих елементів (домішок). Тому, при відносно невеликих зворотних напругах в переході виникає сильне електричне поле, що викликає його електричний пробій, в даному випадку є оборотним (якщо не настає тепловий пробій внаслідок занадто великої сили струму).

На рисунку 1.5 зображена  принципіальна схема стабілітрона.

 

 

 

 

Рисунок 1.5 – Зображення стабілітрона на принципіальній схеми.

 

В основі роботи стабілітрона лежать два механізми:

1. Лавинний пробій pn перехода.
2. Тунельний пробій pn переходу (Ефект Зенера).

Види стабілітронів:

1. Прецизійні - володіють підвищеною стабільністю напруги стабілізації, для них вводяться додаткові норми на тимчасову нестабільність напруги і температурний коефіцієнт напруги;
2. Швидкодіючі - мають знижене значення бар'єрної ємності (десятки пФ) і малу тривалість перехідного процесу (одиниці нс), що дозволяє стабілізувати і обмежувати короткочасні імпульси напруги;
3. Двосторонні - забезпечують стабілізацію і обмеження двополярної напруги, для них додатково нормується абсолютне значення несиметричності напруги стабілізації.

 

1.3.2 Тунельний діод

Звичайні діоди при збільшенні прямої напруги монотонно збільшують пропускання струму. У тунельному діоді квантово-механічне тунелювання електронів додає горб в вольт-амперную характеристику, при цьому, через високий ступень легування p і n областей, напруга пробою зменшується практично до нуля. При подальшому збільшенні прямої напруги рівень Фермі n-області піднімається відносно р-області, потрапляючи на заборонену зону р-області, а оскільки тунелювання не може змінити повну енергію електрона, можливість переходу електрона з n-області в p- область різко падає. Тунельний ефект дозволяє електронам подолати енергетичний бар'єр в зоні переходу з шириною 50 . . 150 А при таких напругах, коли зона провідності в n-області має рівні енергетичні рівні з валентної зоною р-області.

ВАХ тунельний діода має  вигляд, представлений на рисунку 1.6.

 

Рисунок 1.6 – ВАХ тунельного діода.

 

1.3.3 Фотодіод

Фотодіод - приймач оптичного  випромінювання, який перетворює потрапившу на його фото чутливу область світло в електричний заряд за рахунок процесів в p-n переході.

 Фотодіод, робота якого  заснована на фотовольтаїчному  ефекті (поділ електронів і дірок  у p-і n-області, за рахунок  чого утворюється заряд і ЕРС), називається сонячним елементом.  Крім p-n фотодіодів, існують і p-i-n фотодіоди, в яких між шарами p-і n-знаходиться шар нелегованого напівпровідника. Р-n і p-i-n фотодіоди тільки перетворять світло в електричний струм, але не посилюють його, на відміну від лавинних фотодіодів і фототранзисторів.

2 РОЗРАХУНОК ПРОЦЕСУ ДИФУЗІЇ

 

2.1 Завдання та вихідні  дані [10]

Завдання до курсового  проекту даються у двох напрямах:

• Отримання випрямляючих p-n-переходів дифузійним методом;
• Технологія виготовлення напівпровідникових приладів.

Вихідні дані до виконання  курсового проекту представлені в таблиці 2.1 за варіантом №2.

 

Таблиця 2.1 – Вихідні дані

Елемент	Джерело дифузанта	Спосіб дифузії	Параметри і особливості  дифузії
As	Германій легований до великих  концентрацій (r=0,001 Ом×см)	У евакуйованій ампулі або у відкритій  трубі, в контейнері	Для Ge можна досягнути С0=1018 см-3

 

 

2.2 Визначення коефіцієнту дифузії

Для розрахунку коефіцієнту  дифузії використана наступна формула:

Та  спочатку визначимо температуру, при якій дифузія буде проходити з нормальною швидкістю. Вона становить Т=973 К.

D0 = 7 см²/с

E_a = 2,42 еВ

За  такої температури коефіцієнт дифузії  дорівнює D = 2,1 10^-12 см²/с

2.3 Визначення глибини залягання p-n-переходу

Поверхнева концентрація дифузанту за умовою складає 10¹⁸ см^-3.

Для визначення розподілу  домішки і глибини залягання  р-п перехода застосуємо графічний  метод. Знаючи і, що дифузія йде з джерела, що не випробовувало виснаження, розподіл описується функцією доповнення до інтегралу похибок:

                                 

  (2.1)

Де x – глибина проходження дифузії, D – коефіцієнт дифузії, визначений у попередньому розділі.

Концентрація вихідної домішки  вибирається на 3-4 порядки менше ніж С0, тобто С_в = 10¹⁵ см^-3.

Занесемо отримані значення  залежності в таблицю 2.2.

Таблиця 2.2 – Залежність концентрації домішки.

Х, 10-4 см	С0, см-3
0	1E+18
1	6,81E+17
2	4,06E+17
3	2,38E+17
4	1,21E+17
5	4,57E+16
6	1,52E+16
7	4,68E+15
8	1,34E+15
9	3,25E+14
10	5,2E+13
11	8,54E+12
12	1,13E+12

 

За даними таблиці 2.2 побудуємо  графік, наведений на рисунку 2.1.

 

Рисунок 2.1 – Графік розподілу концентрації домішкових атомів у напівпровіднику від глибини залягання шару.

 

_{Точка перетину розподілу (2.1) та графіку С(x)=Cb і буде значенням глибини залягання. Отже,}

X_i = 8,4 10^-4 см

Також можна розрахувати  глибину залягання p-n перехода за наближеною формулою:

                                                            

                                          (2.2)

 

За даною формулою маємо, що X_i = 9,14 10^-4 см.

2.4 Визначення градієнта  концентрацій

Градієнт концентрації характеризує „плавність” р-п переходу. Для  erfc-розподілу він визначається диференціюванням функції розподілу по кординаті.

  (2.3)

Підставивши значення глибини  залягання p-n-переходу маємо таке значення градієнта концентрації:

а = 9,5 10¹⁸ см^-4

Отже, маємо p-n-перехід, близький до плавного.

 

2.5 Розрахунок ВАХ

Для отримання залежності струму переходу від прикладеної до нього напруги отримаємоза наступними припущеннями: