Высоковольтные полупроводниковые приборы

ВВЕДЕНИЕ
Твердотельная технология стала самостоятельной отраслью электроники. Замена электронных ламп на полупроводниковые приборы была успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах.На протяжении всего развития радиотехники широко использовались кристаллические детекторы как твердотельные выпрямители высокочастотных токов. Полупроводниковые выпрямители, содержащие прокс и селен, использовались для выпрямления постоянного тока в сетях. Однако они не подходят для использования на высоких частотах.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Это электронные устройства, работающие с использованием полупроводниковых электронных процессов. В электронных устройствах компьютеры используются для преобразования различных сигналов. В энергетике они используются для прямого преобразования энергии из одного вида в другой.Существуют различные способы классификации различных типов программного обеспечения, например, по их назначению, принципу действия, типу материала, конструкции и технологии, а также области применения. Однако существуют также электрические преобразователи, которые преобразуют одну электрическую величину в другую (полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры), оптоэлектронные устройства, которые преобразуют оптические сигналы в электрические и наоборот (фототрубки, фототранзисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы. К ним относятся полупроводниковые лазеры, светоизлучающие диоды, полупроводниковые датчики изображения (подобные видиконам), термоэлектрические устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую (термопары, термоэлектрические генераторы, солнечные батареи, термисторы и т.д.), магнитоэлектрические устройства (датчики эффекта Холла и т.д.), пьезоэлектрические устройства, реагирующие на давление или механическое смещение, тензиометры и т.д. К другому классу ИС следует отнести проводящие, оптоэлектронные и другие ИС, а также смешанные ИС, сочетающие различные эффекты в одном устройстве. Электрические преобразователи представляют собой самый большой класс устройств, предназначенных для преобразования (тип тока, частота и т.д.), усиления и генерации электрических колебаний с частотой от нескольких нулей герц до более 100 гигагерц, рабочей мощностью от <10-12 вольт до нескольких сотен вольт, напряжением от нескольких нулей вольт до нескольких тысяч вольт и током от нескольких тысяч до десятков тысяч вольт. В зависимости от используемого полупроводникового материала различают два типа структур: точечные и планарные. Последние могут быть далее разделены на структуры сплавов, диффузионные структуры, среднеплоскостные структуры, планарные структуры (наиболее распространенные, см. планарную технологию), внеплоскостные структуры и другие структуры. В зависимости от области применения существуют различные типы ПФ: высокочастотные, высоковольтные, импульсные и т.д.Для защиты от внешних помех они выполняются в стеклянно-металлических, металлокерамических или пластмассовых корпусах, существуют также ИС без корпусов в виде гибридных схем (см. Микроэлектроника). Разнообразие интегральных схем, производимых во всем мире, составляет около 100 000 единиц для различных применений. INCLUDEPICTURE "/var/folders/bn/vx2xj70j5y785z3rnjb92k480000gn/T/com.microsoft.Word/WebArchiveCopyPasteTempFiles/8064951.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис.1 Полупроводниковый диод с р-n - переходом (структурная схема) INCLUDEPICTURE "/var/folders/bn/vx2xj70j5y785z3rnjb92k480000gn/T/com.microsoft.Word/WebArchiveCopyPasteTempFiles/8064952.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис. 2 Вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р-n – переходом.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Полупроводниковый диод - двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла (SCD). Термин "полупроводниковый диод" используется для описания многих устройств с различными принципами работы и областями применения. Они могут быть классифицированы в соответствии с общей системой классификации полупроводниковых приборов. К наиболее широко используемым классам электрических преобразователей относятся выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилизирующие диоды и СВЧ-диоды (включая детекторы зрения, смесители, параметрические диоды, усилители и генераторы, умножители, переключатели и т.д.). Оптические ЧР включают фотодиоды, светоизлучающие диоды и квантовые генераторы.Наиболее многочисленные ПИ используют свойства электронно-дырочного перехода (p-n-перехода): когда p-n диод (рис. 1) смещен вперед, т.е. к p-переходу приложен положительный потенциал, потенциальный барьер опускается, дырки инжектируются из p-перехода в n-переход, а электроны из n-перехода в p-переход, и начинает течь большой прямой ток (рис. 2). При подаче напряжения в обратном направлении (обратное смещение) потенциальный барьер поднимается, и через p-n-переход протекает лишь очень небольшой ток неосновных носителей (обратный ток). Эквивалентная схема такого преобразователя показана на рисунке 3.Выпрямительные (силовые) диоды используют преимущества резкой асимметрии характеристик напряжение-напряжение (VAC). Выпрямительные диоды используются для выпрямления сильноточных цепей, например, в бытовых приборах. Выпускаются версии с выпрямительным током до 300 А и максимально допустимым обратным напряжением U*обр от 20-30 В до 1-2 кВ. Это также относится к слаботочным цепям с Ic < 0,1 A, называемым универсальными. При напряжении выше U*o6p ток быстро возрастает и происходит необратимый (тепловой) пробой p-n-перехода, что приводит к повреждению датчика. Выпрямительный поезд, соединенный последовательно и помещенный в общий пластиковый корпус. Из-за инерционности выпрямительных диодов, время жизни инжекционной дыры (полупроводникового эталона) > 10-5 -10-4 с, существует ограничение на частоту их использования (обычно в диапазоне частот 50-2000 Гц).Использование специальных методов (в основном легирование германия и золота в кремнии) позволило уменьшить время переключения до 10-7 -10-10 с и сделать быстродействующие импульсные ЛД. Эти LD, вместе с диодными решетками, в основном используются в слаботочных сигнальных цепях компьютерных мониторов. INCLUDEPICTURE "/var/folders/bn/vx2xj70j5y785z3rnjb92k480000gn/T/com.microsoft.Word/WebArchiveCopyPasteTempFiles/8064953.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис. 3 Полупроводниковый диода с р-n – переходом INCLUDEPICTURE "/var/folders/bn/vx2xj70j5y785z3rnjb92k480000gn/T/com.microsoft.Word/WebArchiveCopyPasteTempFiles/8064954.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис. 4 Вольтамперные характеристики туннельного и обращенного диодовПри низких напряжениях пробоя вместо теплового пробоя обычно происходит обратимый лавинный пробой p-n-перехода с быстрым нарастанием тока при почти постоянном напряжении, называемом напряжением стабилизации. Это деление используется полупроводниковыми стабилизированными диодами: универсальные регуляторы с Uc t от 3 до 5 В и от 100 до 150 В применяются в основном в качестве регуляторов и ограничителей постоянного и импульсного напряжения, а прецизионные регуляторы с компенсирующими элементами используются в качестве источников опорного и задающего напряжения благодаря очень высокой температурной стабильности Uc t (от 1 x 10-5 до 5 x 10-5 ). x 10-5 до 5 x 10-6 K-1).В предотказной области обратный ток диода колеблется очень сильно. Это свойство p-n-перехода делает его источником генерации шума: инерция лавинного распада p-n-перехода (характеризуемая временем от 10-9 до 10-10 с) определяет фазовый сдвиг между током и напряжением диода и (способом, пригодным для включения в схему) СВЧ-колебания генерации. Используя это свойство, полупроводниковые лавинные диоды были успешно применены для генерации колебаний на частотах до 150 ГГц. INCLUDEPICTURE "/var/folders/bn/vx2xj70j5y785z3rnjb92k480000gn/T/com.microsoft.Word/WebArchiveCopyPasteTempFiles/8064955.png" \* MERGEFORMATINET Рис. 5 Полупроводниковые диоды (внешний вид)Гибридные и видеодетекторы используются для обнаружения и преобразования электрических сигналов в микроволновом диапазоне, многие из которых образуют p-n-переход под контактами. Это дает низкое значение емкости Sv (рис. 3) и, как и для других СВЧ диодов, специфическая конструкция дает низкое значение паразитной индуктивности Lk и емкости Ck, и позволяет устанавливать диод в волноводную систему.Когда к p-n-переходу прикладывается обратное напряжение, не превышающее U*обр, он ведет себя как качественный конденсатор, емкость которого Sv зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство в основном используется в варакторах для электронной подстройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах для усиления СВЧ-колебаний, а также в варакторах и умножительных диодах для умножения колебаний в СВЧ-диапазоне. Эти p-n диоды стремятся уменьшить сопротивление gb, которое является основной причиной рассеивания активной мощности, и увеличить емкостную зависимость напряжения свт Uo6p.В (вырожденном) p-n-переходе, использующем полупроводник с очень низким сопротивлением, область обеднения носителей заряда очень тонкая (~10-2 мкм), и механизм туннелирования между электронами и дырками через потенциальный барьер становится важным (см. эффект туннелирования). Это свойство используется туннельными диодами, которые применяются в устройствах с очень быстрыми импульсами (поликристаллические резонаторы, флип-флопы и т.д.), в усилителях и генераторах СВЧ-колебаний, в обратных диодах для обнаружения слабых сигналов и в смесителях СВЧ-колебаний. Его форма волны (рис. 4) хорошо отличима от других БП благодаря наличию "части с отрицательной проводимостью", которая четко обозначена на туннельном диоде и имеет высокую проводимость при нулевом напряжении.Он также может применяться к устройствам PD. Двухпроводные устройства имеют неуправляемую четырехслойную p-n-p-n структуру и называются динисторами (см. тиристор). Существует также прибор - диод Ганна, который использует эффект объемной доменной нестабильности в структуре ПП без p-n-перехода. Структура p-n, изменяющая свои электрические свойства под воздействием излучения, в основном используется в фотодиодах и детекторах ядерного излучения, где фотоны и ядерные частицы в кристаллической активной области вблизи p-n-перехода поглощаются, тем самым изменяя его обратный ток. Светоизлучающие диоды основаны на эффекте радиационной рекомбинации электронов и дырок, вызванной эмиссией определенного p-n-перехода в присутствии постоянного тока. Полупроводниковые лазеры также классифицируются как PD.Большинство натриевых диодов производятся методом планарной эпитаксии (см. Планарная технология), что позволяет одновременно производить до нескольких тысяч натриевых диодов. Полупроводниковые материалы, используемые для производства Pi, - это в основном Si, а также Ge, GaAs и GaP. В качестве контактных материалов используются Au, Al, Sn, Ni и Cu. Кристаллы ЭИ обычно защищены металлостеклянными, металлокерамическими, стеклянными или пластиковыми корпусами (рис. 5).В СССР для обозначения ПФ используется шестибуквенный код, первая буква которого указывает на полупроводник, вторая - на класс диода, третья - на номер модели, последняя - на ее группу (например, ГД402А для германиевых диодов общего назначения, КС196Б для кремниевых балластов).Они заменили их в большинстве применений благодаря высокой надежности и долговечности, малым размерам, высоким техническим параметрам и низкой стоимости.С развитием печатных схем в электронике появились новые разработки в области печатных схем, монолитных интегральных схем, диодных структур в функциональных устройствах и в изготовлении дискретных БП, где БП являются неотъемлемой частью общей конструкции устройства. INCLUDEPICTURE "/var/folders/bn/vx2xj70j5y785z3rnjb92k480000gn/T/com.microsoft.Word/WebArchiveCopyPasteTempFiles/8064956.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис. 6 Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода туннельного диода INCLUDEPICTURE "/var/folders/bn/vx2xj70j5y785z3rnjb92k480000gn/T/com.microsoft.Word/WebArchiveCopyPasteTempFiles/8064957.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис. 7 Вольтамперные характеристики туннельных диодовТУННЕЛЬНЫЙ ДИОДТуннельный диод - это разновидность полупроводникового диода, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором очень узкий потенциальный барьер препятствует движению электронов. вольт-токовые (VAC) характеристики туннельного диода в значительной степени определяются квантово-механическим процессом туннелирования, при котором электроны проходят через барьер из одной энергетической области в другую (см. Туннельный эффект). Изобретение эффекта туннелирования стало первым убедительным доказательством существования туннельных процессов в твердых телах. Явление туннелирования возникло в результате развития полупроводниковой технологии, что позволило создать полупроводниковые материалы с четко определенными электронными свойствами. Легируя полупроводник большим количеством определенных примесей, удалось добиться очень высокой плотности дырок и электронов в p и n областях, сохраняя при этом резкие переходы из одной области в другую (см. электронно-дырочные переходы). Поскольку ширина перехода мала (50-150 Å) и концентрация примесей в кристалле достаточно высока, в токе через Т.Д. преобладают туннелирующие электроны. Упрощенная энергетическая диаграмма этого p-n перехода при четырех различных напряжениях смещения U показана на рис. 1. По мере увеличения напряжения смещения до U1 туннельный ток секции увеличивается (рис. 1b). Однако при дальнейшем увеличении напряжения смещения (например, до U2, рис. 1c), полоса проводимости в n-полосе и валентная полоса в p-полосе расходятся, и туннельный ток уменьшается, поскольку число энергетических уровней, допускающих туннельные переходы, уменьшается, что приводит к состоянию отрицательного сопротивления для TH. Когда напряжение поднимается выше U3 (рис. 1d), преобладает обычный диффузионный (или тепловой) ток, как в случае обычного p-n-перехода.Первый Т.Д. был изготовлен из германия в 1957 году, но вскоре были открыты другие полупроводниковые материалы, пригодные для изготовления Т.Д. К ним относятся кремний, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb и SiC. На рисунке 2 показан CVC некоторых Т.д.с. Датчики Т.д.с. используются в качестве активных элементов в усилителях высокочастотных электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах благодаря их отрицательному дифференциальному сопротивлению и очень низкой инерционности в определенном диапазоне напряжения смещения. INCLUDEPICTURE "/var/folders/bn/vx2xj70j5y785z3rnjb92k480000gn/T/com.microsoft.Word/WebArchiveCopyPasteTempFiles/8064958.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис. 1 Схема включения стабилитрона в параметрическом стабилизаторе напряжения INCLUDEPICTURE "/var/folders/bn/vx2xj70j5y785z3rnjb92k480000gn/T/com.microsoft.Word/WebArchiveCopyPasteTempFiles/8064959.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис. 2 Вольтамперная характеристика стабилитрона \.
ВЫВОДЫ
Существуют различные способы классификации различных типов программного обеспечения, например, по их назначению, принципу действия, типу материала, конструкции и технологии, а также области применения. Однако существуют также электрические преобразователи, которые преобразуют одну электрическую величину в другую (полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры), оптоэлектронные устройства, которые преобразуют оптические сигналы в электрические и наоборот (фототрубки, фототранзисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы. К ним относятся полупроводниковые лазеры, светоизлучающие диоды, полупроводниковые датчики изображения (подобные видиконам), термоэлектрические устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую (термопары, термоэлектрические генераторы, солнечные батареи, термисторы и т.д.), магнитоэлектрические устройства (датчики эффекта Холла и т.д.), пьезоэлектрические устройства, реагирующие на давление или механическое смещение, тензиометры и т.д. К другому классу ИС следует отнести проводящие, оптоэлектронные и другие ИС, а также смешанные ИС, сочетающие различные эффекты в одном устройстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Микроэлектронные устройства СВЧ/ Н.Т. Бова и др.  Киев: Техника, 1984. Червяков Г.Г., Кротов В.И. Полупроводниковая электроника: Учеб. пособие. - М.: Уч-метод.издат.центр «Учебная литература», 2006. -230 с. Полищук А. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния - настоящее и будущее силовой электроники // Силовая электроника. 2005. №4. Данилин В., Жукова Т. Транзистор на GaN. Пока самый "крепкий орешек"// Электроника: МТБ. 2005. №4. С. 20  29. Sabyasachi Nayak, Ming-Yh Kaoet al. 0.15 мт Power pHEMT Manufacturing Technology for Ka- and Q- Band MMIC Power Amplifiers. - 2005 GaAs MANTECH Conf. Dig. Ppr., 2005. Майская В. SiGe-устройства. Нужная технология в нужное время // Электроника: НТБ. 2001. № 1. С. 28 - 32. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Невоспетые герои беспроводной революции //Электроника: НТБ. 2005. №4. С. 14. www.gaasmantech.org. Материалы конференций GaAs MANTech. .НПП "Исток" развивает технологии твердотельной СВЧ-электроники. Интервью с С.И.Ребровым // Электроника: НТБ. 2005. №4. С. 8  11.