Доклад по микрооптоэлектронике Диоды и гетеропереходы

Полупроводниковый диод, 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(рn-перехода). Если к рn-переходу диода (рис. 1) приложить напряжение в прямом направлении, 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 рn-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена схема такого П. д. Рис. 1. Структурная схема полупроводникового диода с р n- переходом: 1 кристалл; 2 выводы (токоподводы); 3 электроды (омические контакты); 4 плоскость р n-перехода Рис. 2. Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р n-переходом: U напряжение на диоде; I ток через диод; U* oбр и I* oбр максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; U cт напряжение стабилизации. Рис. 3. Малосигнальная эквивалентная схема полупроводникового диода с р n- переходом: r p-n нелинейное сопротивление р n-перехода; r б сопротивление объёма полупроводника (базы диода); r yт сопротивление поверхностных утечек; С Б барьерная ёмкость р n-перехода; С диф диффузионная ёмкость; С к ёмкость корпуса; L к индуктивность токоподводов; А и Б выводы.

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 2030 в до 12 кв. П. д. аналогичного применения для слаботочных цепей имеют I в < 0,1 а и называются универсальными. При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой рn-перехода резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации U cт. На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилизаторов.

У рn-перехода на основе очень низкоомного полупроводника область, обеднённая носителями заряда, оказывается очень тонкой (~ мкм), и для неё становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер.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. Рис. 4. Вольтамперные характеристики туннельного (1) и обращенного (2) диодов: U напряжение на диоде; I ток через диод.

К П. д. относят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойную рnрn-структуру и называют динисторами В П. д. используют и др. разновидности ПП структур: контакт металл полупроводник и рin-структуру, характеристики которых во многом сходны с характеристиками рn-перехода. Свойство рin-структуры изменять свои электрические характеристики под действием излучения используют, в частности, в фотодиодах и детекторах ядерных излучений В качестве полупроводниковых материалов для П. д. применяют главным образом Si, а также Ge, GaAs и др., в качестве контактных материалов Al, Ni, Cu. Для защиты кристалла П. д. его обычно помещают в металло-стеклянный, металло-керамический, стеклянный или пластмассовый корпус (рис. 5). Рис. 5. Полупроводниковые диоды (внешний вид): 1 выпрямительный диод; 2 фотодиод; 3 СВЧ диод; 4 и 5 диодные матрицы; 6 импульсный диод. Корпуса диодов: 1 и 2 металло-стеклянные; 3 и 4 металло-керамические; 5 пластмассовый; 6 стеклянный

Полупроводниковый гетеропереход, контакт двух различных по химическому составу полупроводников. На границе раздела изменяется обычно ширина запрещенной зоны, подвижность носителей тока, их эффективные массы и др. характеристики полупроводников. В «резком» П. г. изменение свойств происходит на расстоянии, сравнимом или меньшем, чем ширина области объёмного заряда В зависимости от легирования обеих сторон П. г. можно создать рn-гетеропереходы (анизотипные), рр- и nn-гетеропереходы (изотипные). Комбинации различных П. г. и рn-переходов образуют гетероструктуры. Идеальная стыковка кристаллических решёток в П. г. возможна лишь при совпадении типа, ориентации и периода кристаллических решёток сращиваемых материалов. Кроме того, в идеальном П. г. граница раздела должна быть свободна от структурных и др. дефектов (дислокаций, заряженных центров и т.п.) и механических напряжений. Наиболее широко применяются монокристаллические П. г. между полупроводниковыми соединениями типа A III B V и их твердыми растворами на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов Ga и Al. Благодаря близости ковалентных радиусов Ga и Al изменение химического состава происходит без изменения периода решётки. Изготовление монокристаллических П. г. и гетероструктур стало возможным благодаря развитию методов эпитаксиального наращивания полупроводниковых кристаллов.