Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

В первых полупроводниковых детекторах (1956—1957) применялись сплавные или поверхностно-барьерные p-n-переходы в Ge. Данные полупроводниковые детекторы приходилось охлаждать, чтобы снизить уровень шумов, они обладали малой глубиной чувствительной области и не получили значительного распространения. Практическое использование получили в 1960-е гг. полупроводниковые детекторы в виде поверхностно-барьерного перехода в Si. В случае поверхностнобарьерного полупроводникового детектора глубина чувствительной области определяется величиной запирающего напряжения. Эти полупроводниковые детекторы обладают малым шумом при комнатной температуре и используются для фиксации короткопробежных частиц, а также для измерения удельных потерь энергии.

Для фиксации длиннопробежных частиц в 1970—1971 гг. были изобретены полупроводниковые детекторы p-i-n-типа. В кристалл Si р-типа внедряется примесь Li. Ионы Li подвигаются в р-области перехода под воздействием электрического поля и, компенсируя акцепторы, образуют широкую чувствительную i-область собственной проводимости, глубина которой зависит от глубинной диффузии ионов Li и достигает 5 мм. Подобные дрейфовые кремний-литиевые детекторы применяются для фиксации протонов с энергией до 25 Мэв, электронов – до 2 Мэв, дейтронов – до 20 Мэв и др.

Следующий шаг в развитии полупроводниковых детекторов был сделан возвращением к Ge, который обладает большим порядковым номером и большей эффективностью для фиксации гамма-излучения. Дрейфовые германийлитиевые плоские полупроводниковые детекторы используются для фиксации g-квантов с энергией, достигающей несколько сотен кэв. Для фиксации g-квантов с энергией, достигающей 10 Мэв, применяются коаксиальные германийлитиевые детекторы с чувствительным объемом до 100 см3. Эффективность фиксации g-квантов с энергией меньше 1 Мэв равна 10% и падает при энергиях больше 10 Мэв до 0,1—0,01%.

Для частиц, обладающих высокой энергией, пробег которых не укладывается в чувствительной области, полупроводниковые детекторы дают возможность, помимо фиксации частицы, определить удельные потери энергии, а в некоторых устройствах координату частицы.

Недостатками полупроводниковых детекторов являются: малая эффективность при фиксации g-квантов больших энергий; ухудшение разрешающей способности при загрузках более 104 частиц в секунду; конечное время жизни полупроводникового детектора при высоких дозах облучения вследствие накопления радиационных дефектов. Небольшие габариты доступных монокристаллов ограничивают использование полупроводниковых детекторов в ряде областей.

Дальнейшее развитие полупроводниковых детекторов связано с получением «сверхчистых» полупроводниковых монокристаллов довольно больших размеров и с возможностью применения GaAs, SiC, CdTe. Полупроводниковые детекторы широко используются в физике элементарных частиц, ядерной физике, а также в химии, медицине, геологии и в промышленности.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод – двухэлектродный электронный прибор на базе полупроводникового (ПП) кристалла.

Понятие полупроводниковый диод объединяет приборы с разными принципами действия, которые имеют многофункциональное назначение. Система классификации полупроводниковых диодов соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов.

В наиболее широком классе электропреобразовательных полупроводниковых диодов различают: импульсные диоды, выпрямительные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (видеодетекторы, параметрические, смесительные, генераторные и усилительные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных полупроводниковых диодов выделяют ПП квантовые генераторы, светоизлучающие диоды и фотодиоды.

Наиболее многочисленны полупроводниковые диоды, действие которых базируется на применении свойств электронно-дырочного перехода, другими словами р-n-перехода. Если к р-n-переходу диода приложить напряжение в прямом направлении, т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, который соответствует переходу, снижается и начинается интенсивный ввод дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область. Тем самым по диоду начинает течь большой прямой ток. Если приложить напряжение в обратном направлении, то потенциальный барьер повышается и через р-n-переход протекает очень малый ток вторичных носителей заряда (обратный ток).

На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) базируется работа выпрямительных диодов. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей производятся выпрямительные полупроводниковые диоды, имеющие допустимый выпрямленный ток до 300 А и максимально допустимое обратное напряжение в пределах от 20—30 В до 1—2 кВ. Полупроводниковые диоды аналогичного использования для слаботочных цепей имеют выпрямленный ток < 0,1 А и называются универсальными. При напряжениях, превышающих максимально допустимое обратное напряжение, ток резко возрастает, и появляется необратимый тепловой пробой р-n-перехода, который приводит к выходу полупроводникового диода из строя. С целью повышения максимально допустимого обратного напряжения до нескольких десятков кВ применяют выпрямительные столбы, в которых несколько идентичных выпрямительных полупроводниковых диодов соединены последовательно и расположены в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов ограничивает частотный предел их использования (как правило, областью частот 50—2000 Гц).

Применение специальных технологических приемов (легирование кремния и германия золотом) позволило создать быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды, применяемые, наряду с диодными матрицами, как правило, в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

При невысоких пробивных напряжениях, как правило, развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р-n-перехода, т. е. резкое нарастание тока при почти постоянном напряжении, называется напряжением стабилизации. На использовании подобного пробоя базируется работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с напряжением стабилизации от 3—5 до 100—150 В используют в основном в стабилизаторах и ограничителях импульсного и постоянного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается высокая температурная стабильность, – в качестве источников опорного и эталонного напряжений.

В предпробойной области обратный ток диода подвержен значительным флуктуациям; это свойство р-n-перехода применяют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р-n-переходе обусловливает сдвиг фаз между напряжением и током в диоде, вызывая (при определенной схеме включения) генерирование СВЧ-колебаний. Это свойство успешно применяют в лавинно-пролетных полупроводниковых диодах, которые позволяют осуществлять генераторы с частотами до 150 ГГц.

Для преобразования и детектирования электрических сигналов в области СВЧ применяют смесительные полупроводниковые диоды и видеодетекторы, в большинстве которых р-n-переход расположен под точечным контактом. Это позволяет достигнуть малого значения емкости, а специфическое конструктивное оформление задает малые значения паразитных индуктивности и емкости, а также возможность монтажа диода в волноводных системах.

При подаче на р-n-переход обратного смещения, которое не превышает максимально допустимого обратного напряжения, он ведет себя как высокодобротный конденсатор, у которого емкость зависит от величины действующего на нее напряжения. Это свойство применяют в варикапах, используемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в умножительных диодах и варакторах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ, в параметрических полупроводниковых диодах, используемых для усиления СВЧ-колебаний. В этих полупроводниковых диодах стремятся уменьшить величину сопротивления, являющегося основным источником активных потерь энергии, и усилить зависимость емкости от максимально-допустимого обратного напряжения.

У р-n-перехода на базе вырожденного полупроводника область, которая обеднена носителями заряда, является очень тонкой (~ 10—2 мкм), и для нее становится значительным туннельный механизм перехода дырок и электронов через потенциальный барьер. На этом свойстве базируется работа туннельного диода, используемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах, в генераторах и усилителях колебаний СВЧ, а также обращенного диода, используемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ-колебаний.