Мощные силовые диоды

Мощные силовые диоды

Вступление

Полупроводниковый диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «Полупроводниковый диод» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации Полупроводниковый диод соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных Полупроводниковый диод различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных Полупроводниковый диод выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.
  Наиболее многочисленны Полупроводниковый диод, действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р—n-перехода). Если к р—n-переходу диода (рис. 1) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), 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 р—n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентная схема такого Полупроводниковый диод. На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные Полупроводниковый диод, имеющие допустимый выпрямленный ток Iв до 300 а и максимальное допустимое обратное напряжение U*обр от 20—30 в до 1—2 кв. Полупроводниковый диод аналогичного применения для слаботочных цепей имеют Iв < 0,1 а и называются универсальными. При напряжениях, превышающих U*o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n-перехода, приводящий к выходу Полупроводниковый диод из строя. С целью повышения U*обр до нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которых несколько одинаковых выпрямительных Полупроводниковый диод соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники) составляет > 10-5—10-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50—2000 гц).
  Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10-7—10-10 сек и создать быстродействующие импульсные Полупроводниковый диод, используемые, наряду с диодными матрицами, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.
  При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р—n-перехода — резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации Ucт. На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с Ucт от 3—5 в до 100—150 в применяют главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается исключительно высокая температурная стабильность Ucт (до 1×10-5— 5×10-6 К-1), — в качестве источников эталонного и опорного напряжений.  В предпробойной области обратный ток диода подвержен очень значительным флуктуациям; это свойство р—n-перехода используют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р—n-переходе (характеризующаяся временем 10-9—10-10 сек) обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде, вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрическую цепь) генерирование СВЧ колебаний. Это свойство успешно используют в лавинно-пролётных полупроводниковых диодах, позволяющих осуществлять генераторы с частотами до 150 Ггц.
  Для детектирования и преобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные Полупроводниковый диод и видеодетекторы, в большинстве которых р—n-переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости Св (рис. 3), а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности Lk и ёмкости Ск и возможность монтажа диода в волноводных системах.
  При подаче на р—n-переход обратного смещения, не превышающего U*обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость Св зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах, служащих для усиления СВЧ колебаний, в варикапах и множительных диодах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих Полупроводниковый диод стремятся уменьшить величину сопротивления rб (основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости Св от напряжения Uo6p.
  У р—n-перехода на основе очень низкоомного (вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда, оказывается очень тонкой (~ 10-2 мкм), и для неё становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер (см. Туннельный эффект). 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 Полупроводниковый диод как наличием участка с «отрицательной проводимостью», ярко выраженной у туннельного диода, так и высокой проводимостью при нулевом напряжении.
  К полупроводниковый диод относят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойную р—n—р—n-структуру и называют динисторами (см. Тиристор), а также приборы, использующие объёмный эффект доменной неустойчивости в ПП структурах без р—n-перехода — Ганна диоды. В Полупроводниковый диод используют и др. разновидности ПП структур: контакт металл — полупроводник (см. Шотки эффект, Шотки диод) и р—i—n-структуру, характеристики которых во многом сходны с характеристиками р—n-перехода. Свойство р—i—n-структуры изменять свои электрические характеристики под действием излучения используют, в частности, в фотодиодах и детекторах ядерных излучений, устроенных т. о., что фотоны или ядерные частицы могут поглощаться в активной области кристалла, непосредственно примыкающей к р—n-переходу, и изменять величину обратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации электронов и дырок, проявляющийся в свечении некоторых р—n-переходов при протекании через них прямого тока, используется в светоизлучающих диодах. К Полупроводниковый диод могут быть отнесены также и полупроводниковые лазеры.
  Большинство Полупроводниковый диод изготавливают, используя планарно-эпитаксиальную технологию (см. Планарная технология), которая позволяет одновременно получать до нескольких тысяч Полупроводниковый диод В качестве полупроводниковых материалов для Полупроводниковый диод применяют главным образом Si, а также Ge, GaAs, GaP и др., в качестве контактных материалов — Au, Al, Sn, Ni, Cu. Для защиты кристалла полупроводникового диода его обычно помещают в металлостеклянный, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус (рис. 5).
  В СССР для обозначения Полупроводниковый диод применяют шестизначный шифр, первая буква которого характеризует используемый полупроводник, вторая — класс диода, цифры определяют порядковый номер типа, а последняя буква — его группу (например, ГД402А — германиевый универсальный диод; КС196Б — кремниевый стабилитрон).
  От своих электровакуумных аналогов, например кенотрона, газоразрядного стабилитрона, индикатора газоразрядного, Полупроводниковый диод отличаются значительно большими надёжностью и долговечностью, меньшими габаритами, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей применения.
  С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными Полупроводниковый диод диодных структур в ПП монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах, где полупроводниковый диод неотделим от всей конструкции устройства. 

Выпрямительные диоды

В настоящее время, в качестве выпрямительных диодов используют твердотельные устройства, они характеризуются малыми габаритами, малым падением напряжения и высокой надежностью. Но во многих публикациях отмечалось, что усилитель, снабженный выпрямителем на твердотельных диодах, звучит хуже, чем этот же усилитель с выпрямителем на вакуумных диодах.

Одной из причин этого является возникновение высокочастотных колебаний с широким спектром во время процесса запирания диода при смене на нем полярности приложенного напряжения.

Упрощенно, не углубляясь в физику работы полупроводникового диода (процессы коммутации диодом тока весьма сложны), механизм возникновения помех объясняется протеканием через диод обратного тока и резким его прерыванием в момент запирания.

На рисунке 7 показана временная диаграмма тока, текущего через диод при его запирании.

При протекании через диод прямого тока (диод открыт) в области базы происходит накопление избыточных зарядов. По мере уменьшения разности потенциалов на выводах диода ток через него уменьшается и в точке А становится равным нулю. Но диод еще не заперся, и при смене полярности на его электродах через диод будет протекать реверсный ток, рассасывающий избыточный заряд в области базы, падение напряжения на диоде приблизительно равно прямому падению. Когда базовый заряд станет равным нулю, прямое напряжение на диоде резко изменяется на обратное. Этот момент запирания диода соответствует точке В на диаграмме. Как видно из диаграммы, процесс установления обратного сопротивления происходит очень быстро (~0.3 µS) и сопровождается прерыванием тока, что и вызывает возникновение паразитных колебаний.

Амплитуда реверсного тока существенно зависит от избыточного заряда базы, который, в свою очередь, зависит от величины прямого тока через диод и конструктивных параметров диода, связанных с площадью кристалла [2]. Поэтому, часто встречающаяся в литературе рекомендация использовать для выпрямителя мощные низкочастотные диоды совершенно справедлива и позволяет уменьшить паразитные колебания. Это происходит за счет снижения избыточного заряда базы, то есть снижения амплитуды реверсного тока и более медленного процесса восстановления обратного сопротивления. Однако, используя мощные, низкочастотные полупроводниковые диоды следует учитывать, что они имеют очень большую барьерную емкость, которая может, как уменьшить величину паразитных колебаний, так и привести к их возрастанию. Характер ее влияния зависит как от режима работы диода, так и от цепей, к которым он подключен.

Существует еще один способ демпфирования паразитных колебаний, очень часто использующийся в импульсных преобразователях. Это шунтирование диода демпфирующей RC цепью (рисунок 8), обеспечивающей подавление паразитных колебаний и их быстрое затухание. Точный расчет значений R и C довольно сложен, величина C, лежит в пределах 100 ÷ 10000 pF, R – 10 ÷ 100 Ом. Чем меньше величина выпрямленного напряжения, тем больше величина C и меньше R.

Для источников питания ламповых усилителей средней мощности в качестве выпрямительных диодов целесообразно использовать вакуумные диоды.

Их основным преимуществом является отсутствие эффекта протекания реверсного тока [4], что обеспечивает полное отсутствие паразитных колебаний в моменты коммутации тока. Высокое динамическое сопротивление вакуумного диода, которое часто определяется как его недостаток, в нашем случае, становится достоинством, так как эффективно демпфирует импульсы тока, потребляемого емкостным фильтром. Возможно, именно различием динамических сопротивлений можно объяснить некоторое различие в звучании усилителя с разными типами вакуумных диодов.

Если Вы используете твердотельные диоды, то при небольших выпрямленных токах и высоких напряжениях целесообразно включить последовательно с каждым из них активное сопротивление величиной 30 ÷ 100 Ом. Это не только уменьшит амплитуду импульса потребляемого тока, но и существенно улучшит режим коммутации диода, естественно ценой этому будет снижение КПД.

Еще одним достоинством вакуумного диода является очень маленькая (4 ÷ 6 pF) и практически независимая от обратного напряжения проходная емкость.

Также немаловажным фактором является плавное нарастание анодного напряжения при включении схемы.

Недавно появившиеся высоковольтные диоды на основе карбида кремния [5] обладают временем восстановления обратного сопротивления равным нулю, и по этому параметру сравнялись с вакуумными диодами. Возможно, это поставит точку в затянувшемся споре, какой тип лучше использовать в высоковольтных выпрямителях аудио аппаратуры, но пока нет какой- либо информации об использовании этого типа диодов в аудио аппаратуре и влиянии их на качество звука.

Пример научного исследования оптимизации и повышения мощности в одномодовом режиме генерации для лазерных диодов мезаполосковой конструкции, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур раздельного ограничения.

В предыдущем пункте было немного сказано о диодах, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур раздельного ограничения. Группа ученных провела ислледование, сязаное с повышением качества работы этих диодов.

Экспериментально и аналитически исследованы возможности достижения максимальной оптической мощности излучения в одномодовом режиме генерации для лазерных диодов мезаполосковой конструкции, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур раздельного ограничения.

Показано, что основным требованием обеспечения одномодового режима работы в широком диапазоне токов накачки для лазерных диодов является точный выбор значений скачка эффективного показателя преломления AnL в плоскости, параллельной р-n переходу.

Методом МОС-гидридной эпитаксии разработана InGaAsP/InP-гетероструктура раздельного ограничения со ступенчатым волноводом с пороговой плотностью тока 180 А/см2 и внутренним квантовым выходом стимулированного излучения 93-99%.

Проведена оптимизация мезаполосковой конструкции лазерного диода для разработанной InGaAsP/InP-ге-тероструктуры, с целью достижения максимальной оптической мощности в одномодовом режиме генерации.

Достигнута выходная непрерывная мощность излучения 185 мВт при одномодовом режиме работы лазерного диода с шириной мезаполоска W = 4.5 мкм (2 = 1480 нм), максимальная непрерывная мощность составила 300 мВт. Полуширина излучения параллельного дальнего поля возросла на 1° относительно порогового значения.

1.   Введение

В последнее время резко возрос интерес к мощ­ным лазерным диодам, излучающим в диапазоне длин волн 1300-1600 нм в нулевой продольной оптической моде. В первую очередь это связано с их применени­ем в волоконно-оптических линиях связи, в качестве источников накачки волоконно-оптических усилителей, легированных Er3+, и рамановских волоконных усилите­лей в диапазоне длин волн 1400-1500 нм [1]. Для таких применений лазерных диодов необходимы постоянная выходная рабочая мощность на уровне сотен милли­ватт, точная пиковая длина волны излучения, высокая излучательная эффективность лазерного диода и эф­фективность ввода в одномодовое оптическое волокно. Все эти требования необходимо учитывать в разработке одномодовых лазерных диодов.

До настоящего момента в мире лишь несколько компаний (Furukawa Electric, JDS-Uniphase, Princeton Lightwave) заявили о достижении более 300 мВт макси­мальной выходной оптической непрерывной мощности в одномодовом режиме [2–4]. При этом основным крите­рием одномодовости являлось сохранение полуширины и формы поля в дальней зоне излучения, начиная с порога генерации и выше. В связи с этим достижение значений максимальной выходной мощности одномодо-вого излучения в непрерывным режиме генерации более чем 300 мВт (комнатная температура) для лазерных диодов, излучающих в диапазоне длин волн 1.3-1.6 мкм, является актуальной задачей.

Цель данной работы состояла в исследовании, раз­работке и изготовлении мощных одномодовых лазеров на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетерострук-тур, излучающих в диапазоне длин волн 1300-1600 нм.

Разработка конструкции и изготовление одномодовых лазерных диодов, т.е. диодов, излучающих на нулевой поперечной оптической моде, представляет комплекс­ную задачу. Для ее решения необходимо выполнение многих требований. Во-первых, это использование тща­тельно проработанного дизайна лазерной гетерострукту-ры, обеспечивающего минимальные значения внутрен­них оптических потерь (аг), напряжения отсечки (Uc) и максимального внутреннего квантового выхода стиму­лированного излучения (д). Как показали наши преды­дущие исследования [5,6], квантово-размерная двойная гетероструктура раздельного ограничения (КР РО ДГС) InGaAsP/InP является оптимальной для достижения мак­симальной оптической мощности излучения лазерного диода с одиночной апертурой (Я = 1.3 -1.6 мкм). Ис­пользование ступенчатого волновода в КР РО ДГС InGaAsP/InP позволяет достичь близких к 100% значе­ний внутреннего квантового выхода стимулированного излучения. Это связано с уменьшением компоненты тока утечек электронов за порогом, обусловленной уходом носителей из области квантовой ямы к гетерогранице волновода с /-эмиттером [6,7].

КР двойные гетероструктуры раздельного ограниче­ния InGaAsP/InP, схематическое изображение типичной зонной диаграммы которых приведено на рис. 1, изготав­ливались методом МОС-гидридной эпитаксии [8].

Рис. 1. Схематическая энергетическая зонная диаграмма квантово-размерной гетероструктуры раздельного ограничения InGaAsP/InP (сплошная линия), расчетные профили легирова­ния для донорной примеси кремния (пунктирная) и акцептор­ной примеси цинка (штрих-пунктирная).

Гетероструктуры состояли из широкозонных, сильно легиро­ванных эмиттеров, роль которых играли слои п- и /?-InP; ступенчатого волновода, выполненного на основе чет­верных твердых растворов In-Ga-As-P (Е w1 = 1.03 эВ, Е w2 = 1.24 эВ) с общей толщиной 0.65 мкм; активной области, образованной двумя напряженными InGaAsP-квантовыми ямами (cIqW — 65 A) с InGaAsP-барьерным слоем между ними (Е ъ = 1.03 эВ, db = 200 A). В верх­нем /?-InP-эмиттере выращивался стоп-слой InGaAsP толщиной 70 A, который служил для остановки хими­ческого травления гетероструктуры при изготовлении мезаполосковой конструкции лазерного диода.

Второй основной задачей для достижения режима работы лазерного диода на фундаментальной оптической моде является выбор его конструкции, обеспечивающей возможность формирования волновода в плоскости, па­раллельной р-^-переходу. Из всего многообразия кон­струкций лазерных диодов наиболее эффективными для достижения волноводного эффекта в горизонтальном направлении являются мезаполосковая конструкция и конструкция „зарощенная меза“ [2,3]. Мезаполосковая конструкция лазерного диода отличается своей надеж­ностью, простотой изготовления и малыми дополнитель­ными внутренними потерями, вносимыми при формиро­вании мезаполоска [9]. Одно из преимуществ зарощен-ной конструкции — это возможность достижения сверх­низких пороговых токов и лучшие частотные характери­стики [2]. Однако ее серьезным недостатком являются технологические трудности, связанные с практической реализацией [2]. Это в основном и предопределило наш выбор в пользу мезаполосковой конструкции.

Страницы: 1, 2, 3, 4