Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р- n переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

Полупроводниковые диоды

Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов приведены на рис. 1. Как видно, все полупроводниковые диоды подразделяют на два класса: точечные и плоскостные.

Рис. 1. Классификация и условные

графические обозначения полупроводниковых диодов

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния
с электропроводностью n-типа толщиной 0,1¸0,6 мм и площадью
0,5¸1,5 мм²; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка (рис. 2).

        

 

  

Рис 2. Конструкция точечного диода: 

1 - выводы; 2 - стеклянный корпус; 3 - кристалл полупроводника;  4 - гибкий контакт

 

    На заключительной стадии изготовления в диоде создают большой ток (несколько ампер), стальную проволочку вплавляют в полупроводник  n-типа, образуя область с электропроводностью p-типа. Такой процесс называется формовкой.

 

      Вольтамперные характеристики точечного диода при различных температурах приведены на рис. 3.

        

 

 

Рис 3 Вольтамперные характеристики

       точечного диода

 

    Из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ-диоды). Точечные диоды используют в основном для выпрямления.

В плоскостных диодах р- n-переход образуется двумя полупровод-
никами (таблетками) с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у полупроводников различных типов лежит в пределах от сотых долей квадратного микрометра (микроплоскостные диоды)  до нескольких квадратных сантиметров (силовые диоды).

Электрические характеристики плоскостного диода определяются  характеристиками p - n-перехода. В зависимости от назначения диода в нем используются те или иные характеристики р-п-перехода. Рассмотрим более  подробно  характеристики  различных групп  плоскостных  диодов.

Выпрямительный полупроводниковый диод - полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.

    Конструкция силового выпрямительного диода показана на рис. 4

.

 

Рис. 4. Конструкция плоскостного

полупроводникового диода:

1, 9 - выводы; 2 - металлическая трубка, 3 - гибкий контактный провод; 4 - стеклянный изолятор; 5 - металлический корпус; 6 - кристалл полупроводника, 7 - основание корпуса; 8 - изоляционная шайба, 10 - крепежная гайка

 

    Маломощные выпрямительные диоды и выпрямительные диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют конструкцию, аналогичную конструкции точечных диодов (см. рис. 2). Вольтамперные характеристики выпрямительного кремниевого диода средней мощности приведены на рис. 5.

 

Рис. 5. Вольтамперные характеристики

         полупроводникового диода средней

         мощности

 

 

Благодаря большой площади перехода прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Обычно к диоду прикладывается прямое напряжение не более 1В, при этом плотность тока в полупроводнике достигает 1-10 А/мм², что вызывает некоторое повышение температуры полупроводника. Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать 85°С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до 150°С.

Для уменьшения разогрева мощных диодов прямым током принимают специальные меры для их охлаждения: монтаж на радиаторах, обдув и т. д. Если к диоду приложить прямое напряжение порядка нескольких десятков вольт, то возникнет недопустимо большой прямой ток, это вызовет интенсивный нагрев полупроводника и подводящих проводов. Температура диода начнёт повышаться и через несколько секунд полупроводник нагреется до 800 –1000°С, чтo вызовёт разрушение диода. В то же время, если такое напряжение приложено кратковременно, диод не успеет перегреться и не будет разрушен. Как правило, полупроводниковые диоды допускают 50 ¸100-кратную перегрузку по реку в течение 0,1 с.

При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения
в нём возникает незначительный обратный ток (рис. 11), обусловленный движением неосновных (тепловых) носителей заряда через р- n-переход,
При повышении температуры р-п-перехода количество неосновных носителей заряда увеличивается, поэтому обратный ток диода возрастает.

В случае приложения к диоду большого обратного напряжения может произойти лавинный пробой p - n-перехода, обратный ток при котором резко увеличивается, что вызывает разогрев диода, дальнейший рост тока и, как следствие, тепловой пробой и разрушение p -п перехода. Большинство диодов может надёжно работать при обратных напряжениях, не превыша-
ющих 0,7– 0,8 пробивного напряжения. Даже кратковременное повышение напряжения сверх пробивного, как правило, приводит к пробою р- n-перехода и выходу из строя диода.

 

Основными параметрами выпрямительных диодов являются;

- прямое напряжение U _ПР, которое нормируется при определённом прямом токе I _ПР;

- максимально допустимый прямой ток диода I _{ПР. MAX};

- максимально допустимое обратное напряжение диода U _{ОБР. MAX};

- обратный ток диода I _ОБР, который нормируется при определенном

обратном напряжении U _ОБР.

Сопоставление параметров различных выпрямительных диодов дано

в табл. 1

Таблица 1

ЗНАЧЕНИЯ  ПАРАМЕТРОВ  ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ  ДИОДОВ

 

Для получения более высокого обратного напряжения диоды можно включать последовательно. Для последовательного включения подходящими являются диоды с идентичными характеристиками. В настоящее время выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Обратное напряжение U_ОБР таких столбов лежит в пределах 2¸40 кВ.

Более сложные соединения диодов имеются в силовых диодных сборках. В них для увеличения прямого тока диоды соединяют параллельно, для увеличения обратного напряжения- последовательно и часто осуществляют соединения, облегчающие применение диодов в конкретных выпрямительных устройствах. Так, выпрямительные мосты на кремниевых диодах специально предназначены для использования в однофазных и трехфазных мостовых выпрямителях.

Группы идентичных маломощных диодов часто выпускаются в
виде диодных матриц и диодных сборок. В диодных матрицах диоды
присоединены к одному общему выводу, что облегчает их использование в логических устройствах и дешифраторах, в диодных сборках применяются параллельное, последовательное, мостовое и другие соединения.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения.

Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 6. Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U _СТ лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I _СТ. Такую характеристику стабилитрона используют для получения стабильного напряжения, например в параметрических стабилизаторах напряжения

Рис 6 Вольтамперная характеристика

          стабилитрона

 

Основными параметрами стабилитрона являются: 

- напряжение на участке стабилизации U _СТ;

- динамическое сопротивление на участке стабилизации

R _Д = dU _СТ / dI _СТ;

- минимальный ток стабилизации I _{СТ. MIN};

- максимальный ток стабилизации I _{СТ. MAX};

- температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации

       

Напряжение стабилизации современных стабилитронов лежит в пределах 1¸1000 В и зависит от толщины запирающего слоя р- n-перехода. Участок стабилизации расположен на характеристике стабилитрона от I_{СТ MIN} до I _{СТ. MAX}; (I_{СТ MIN} ≈ 1¸10 мА, I_{СТ. MAX} ≈ 50 ¸ 2000 мА).

Значение минимального тока I_{СТ MIN} ограничено нелинейным участком характеристики стабилитрона, значение максимального I_{СТ. MAX} - допустимой температурой полупроводника.

На участке стабилизации R_Д ≈ соnst,  для большинства стабилитронов R_Д = 0,5 ¸ 200 Ом. Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения TK Н, который показывает, на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1°С. Для большинства стабилитронов ТКН=(-0,05 ¸ +0,2)%/°С. При этом отрицательным TK Н обладают стабилитроны с низким напряжением стабилизации ( U _СТ £ 6,0 В).

Путём последовательного соединения в процессе изготовления
p - n-переходов с различными по знаку TКН удаётся получить стабилитроны с очень низким температурным коэффициентом напряжения. Так, у прецизионного стабилитрона КС196В TKН = ±0,0005%/°C в диапазоне температур от -60 до +60°С. Такие стабилитроны применяют в стабилизаторах напряжения, например в автоматических потенциометрах, предназначенных для измерения постоянных напряжений и токов.

Стабилизацию постоянного напряжения можно также получить с помощью диода, включённого в прямом направлении. Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами

    Для изготовления стабисторов применяют кремний с большой концентрацией примесей, что необходимо для получения меньшего динамического сопротивления при прямом включении. Кроме того, при большей концентрации примесей в исходном кремнии меньше температурные изменения прямой ветви вольтамперной характеристики диода, что обеспечивает меньший температурный коэффициент напряжения стабилизации стабистора.

    Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации ( ~ 0,7 В).

Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилитронов:

U cт = U cтl + U cт2 + U cт 3 + ... + U ст n

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, так как из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном стабилитроне, имеющем наименьшее напряжение стабилизации.                         

Конструктивное исполнение стабилитронов аналогично выпрямительным диодам.

Туннельный диод - полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперных характеристиках при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью (кривая 2 на рис. 7).

 

Рис. 7. Вольтамперная характеристика

туннельного (1) и обращенного (2) диодов

 

Материалом для туннельных диодов служит сильнолегированный
германий или арсенид галлия.

Основными параметрами туннельного диода являются:

– ток пика I_П (рис. 13, кривая 1) и

– отношение тока пика к току впадины I _П / I _В.

Для выпускаемых диодов I_П = 0,1¸1000 мА  и I_П / I_В = 5 ¸20.

Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и импульсных переключателях.

Обращенный диод - диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного аффекта значительно больше, чем ори прямом напряжении.

Обращенные диоды представляют собой разновидность туннельных диодов, у которых ток пика I_П = 0 (рис. 7, кривая 2). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение U_ПР £ 0,З В, то ток диода I_ПР ≈ 0. В то же время даже при небольшом обратном напряжении (порядка десятков милливольт) обратный ток достигает нескольких миллиампер. Таким образом, обращенные диоды обладают вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где выпрямительные диоды обычно вентильными свойствами не обладают. При этом направлением наибольшей проводимости является направление, соответствующее обратному току.

Варикап - полупроводниковый диод, в котором используется зависимость ёмкости р- n –перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью.

В качестве полупроводникового материала для изготовления варикапов служит кремний. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения показана на рис. 8.

        

 

Рис. 8. Зависимость ёмкости варикапа от

        обратного напряжения

 

 

Основными параметрами варикапа являются 

–  общая ёмкость С_В, которая фиксируется обычно при небольшом

 обратном напряжении U _ОБР = 2 ¸ 5 В,  и  

– коэффициент перекрытия по ёмкости К_С =С_МАХ /С _MIN. Для

большинства выпускаемых варикапов С=10 ¸ 500 пФ и К_С=5¸20.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды. В этих трех типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое р- n-перехода.

В фотодиоде в результате освещения р- n-перехода повышается ватный ток. В полупроводниковом фотоэлементе при освещении p - n-перехода возникает обратное напряжение. В светодиоде в режиме прямого тока в зоне p - n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды подробно рассмотрены в последующих главах.

В последнее время появились еще два типа диодов: магнитодиод и тензодиод.

Магнитодиод - полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием магнитного поля.

В качестве магнитодиодов используют выпрямительные диоды I основе германия или кремния с увеличенной толщиной полупродникового материала. Основным параметром магнитодиода является его чувствительность

                                               

где DU и DB - приращение соответственно прямого напряжения и магнитной индукции. Диапазон значений g = (10 ¸ 50)· 10³ В /Тл·мА).

Тензодиод - полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием механических деформаций .

В качестве тензодиодов обычно применяют туннельные диоды, у которых отдельные участки вольтамперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.