Вольт амперная характеристика германиевого диода, устройство диодов

germanievye-diody

Как и любой полупроводниковый диод, германиевый состоит из двух, контактирующих друг с другом, частей с различными легирующими примесями. Место контакта – это особая область, в ней образуется так называемый потенциальный барьер, определяющий все свойства прибора.

Для того, чтобы диод вообще мог работать, приходится принимать особые меры по очистке германия Ge от примесей. Материал должен иметь почти идеальную кристаллическую решетку, в которую вводятся легирующие донорные (с избытком электронов) или акцепторные (с недостатком электронов) примеси. После донорного легирования говорят о n-проводимости, а после акцепторного – о p-проводимости.

Как работает диод

В качестве n-примесей для германия используют сурьму Sb, а в качестве p-примесей – галлий Ga. Атомы сурьмы при этом проявляют валентность, равную пяти, а атомы галлия – трем. Что это означает? При соединении с четырехвалентным германием в n-материале появляются лишние электроны, а в p-материале вакантные места для них, называемые просто дырками. На границе между  p и n материалами возникает разность потенциалов, диффузионный ток и потенциальный барьер, имеющий свойства односторонней проводимости. Этот слой называют p-n переходом.

[idea]Нужно отметить, что концентрации легирующих примесей чрезвычайно малы и должны дозироваться с высокой точностью![/idea]

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

На рисунке изображена зависимость тока через германиевый диод средней мощности от приложенного к нему напряжения и графический символ для принципиальных схем (К – катод, А – анод).

germanievye-diody
В области прямого тока диод отпирается когда преодолен потенциальный барьер и в дальнейшем ток возрастает приблизительно по экспоненте (уравнение Шокли для идеального диода). Чрезмерный прямой ток может вызвать тепловой пробой. Обратный ток характеризуется очень малой величиной, порядка единиц-десятков мкА. Однако при слишком большом обратном напряжении может возникнуть электрический пробой. Оба вида пробоя необратимо разрушают p-n переход и прибор становится непригодным.

Область применения и история

Германиевые диоды применяются для выпрямления переменных напряжений, переменных составляющих пульсирующих напряжений, в различных нелинейных схемах: амплитудные детекторы, частотные и фазовые дискриминаторы, смесители, ограничители напряжения, логарифмирующие цепи обратных связей операционных усилителей (компрессоры, экспандеры аналоговых сигналов, логарифмирующие усилители для измерений в децибелах).

В связи с переходом на цифровые методы обработки сигналов, данные области применения германиевых (да и кремниевых) диодов сокращаются. Что касается кремния, то он начал интенсивно вытеснять германий из полупроводниковой промышленности уже в 1970-х годах, еще в доцифровую эпоху.

Исторически именно германий был первым промышленным материалом для изготовления диодов и транзисторов. Германиевые приборы резко потеснили электронные лампы, поскольку имеют значительно меньшие габариты и не потребляют энергии для нити накала. К недостаткам полупроводникового диода следует отнести тепловой шум носителей заряда, чем не страдали лампы. Однако, в большинстве случаев, этим оказалось возможно пренебречь.

Самые первые приборы содержали кристалл германия и металлическое острие, упирающееся в этот кристалл. (Нетрудно догадаться, что германий должен иметь p-тип проводимости.) В месте контакта возникал полупроводниковый p-n барьер. Сборка заключалась в стеклянный или металлостеклянный корпус. Такой диод имел очень маленькую собственную емкость и хорошо работал в качестве детекторов, в области высоких частот и малых сигналов.

 

Мощные германиевые диоды, выпрямители

Для изготовления полупроводникового перехода в диодах, – это основа основ работы прибора, – используются несколько основных методов: диффузия (сплавление n и p-легированных материалов) и планарная эпитаксия. Первый метод считается устаревшим и сейчас не применяется. При его использовании не удавалось снизить емкость запертого перехода, и это значительно ограничивало верхнюю рабочую частоту диода. На низкой частоте, например, промышленной 50-60 Гц, диоды вполне успешно работали в мощных выпрямителях.

 

Позже появился метод ионного легирования тонких кристаллов (планарная эпитаксия) и удалось значительно повысить диапазон частот, так как при новом методе паразитная емкость, о которой только что говорилось, оказалась, соответственно, ниже. Это никак не повлияло на мощность приборов, о чем еще будет сказано дальше.

Устройство диодов

Об устройстве первых диодов уже говорилось. Диффузионные приборы изготавливали вплавлением капли материала n-проводимости в каплю большего размера из материал p-проводимости или наоборот. “Большая капля” часто охлаждалась теплоотводом в мощных приборах. Для защиты диода от повреждений его заключали в герметичный, по возможности теплоотводящий корпус из металла со стеклянным изолятором и вторым электродом.

germanievye-diody

Планарные диоды часто имеют совсем другую, более современную конструкцию. Это тонкий плоский кристалл на охлаждающей подложке, подвергнутый сложной фото- и химической обработке, и облученный ионами из легирующей пушки. “Фото” – это уже устарело, используют не свет, а жесткие УФ-лучи или рентген.

Принцип напоминает традиционную фотографию: засвечивание и легирование производится через шаблоны с последующими травлениями (подобными проявке для фото). Мощные диоды могут получать, соединяя параллельно несколько других. Это делает тепловую нагрузку равномерной по подложке. Фактически это та же технология, по которой производят микросхемы. Поэтому современные мощные диоды выполняют в корпусах из реактопластов с металлическими теплоотводами.

Параметры германиевого диода

Возьмем, для примера, типичный германиевый диод средней мощности. Он имеет следующие характеристики, важные для практики:

  1. Наибольший прямой ток, Iпр.                            = 10 А
  2. Прямое напряжение, Uпр.                                   = 0.35 В
  3. Максимальная рабочая температура, °C            = 70
  4. Наибольшее обратное напряжение, Uоб.          = 50 В
  5. Обратный ток, Iобр.                                             = < 2.5 мА
  6. Емкость, Cd.                                                          = не нормируется
  7. Максимальная рабочая частота, Fmax.               = 1000 Гц

 

Следует отметить, что силовые германиевые диоды в настоящее время не используются и являются большой редкостью. Они полностью вытеснены кремниевыми, как имеющими несравнимо лучшие характеристики, особенно по времени переключения, что очень важно при имеющейся тенденции постоянного возрастания рабочих частот силовых преобразователей самого различного назначения.

 

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

Электронщик. Ярчайший ресурс в Рунете связанный с автоматикой и электротехникой

Использование материалов сайта возможно при наличии активной ссылки на первоисточник. Связь с редакцией сайта:e-mail: bylira3@gmail.com |