5. Основные типы полупроводниковых диодов
Полупроводниковые диоды подразделяют на группы по многим признакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции.
Классификация и условные графические обозначения диодов могут быть представлены на рис. 5.1. В зависимости от структуры различают плоскостные и точечные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, равны толщине перехода или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше его толщины.
5.1. Устройство точечных диодов
Точечные диоды выполнены в виде тонкой пластинки из полупроводника n- типа. Пластинку покрывают тонким слоем металла и припаивают к металлическому основанию. В противоположную сторону пластины упирается острие тонкой контактной пружины из вольфрамовой проволоки. Острый конец проволоки покрывают слоем индия или алюминия, который является акцепторной примесью и обеспечивает создание около острия области с p-типом проводимости.
Между этой областью и основной массой полупроводника образуется p-n- переход, площадью 10-12 мкм2. Диоды монтируют в стеклянном коваровом или металлическом герметичном корпусе. На концах его установлены коваровые трубки с выводами. Для улучшения вентильных свойств после сборки диоды подвергают электрической формовке путем пропускания импульсов тока. При формовке происходит частичное расплавление и диффузия атомов индия или алюминия в основной полупроводник.
Ковар – магнитный сплав железа с кобальтом и никелем, обладающий низким коэффициентом температурного расширения, близким к температурному коэффициенту расширения стекла.
Из-за малой площади контакта прямой ток точечных диодов невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ – диоды). В основном точечные диоды используют для выпрямления.
5.2. Устройство плоскостных диодов
В плоскостных диодах основным элементом является пластина из германия или кремния, в которой метод сплавления или диффузии создан плоский по форме p-n-перехода. В плоскостных германиевых диодах, получаемых сплавным методом, в пластинку из германия с n-проводимостью вплавляют каплю индия. При нагреве индия плавится и диффундирует в основной полупроводник, образуя в нем область с p-проводимостью. На границе между n- и p-областями создается ЭДП значительно большей площади, чем в точечном диоде, с гораздо большим прямым током.
Рис. 5.1. Классификация и условные графические обозначения диодов
В плоскостных кремниевых диодах в пластину с n-проводимостью вплавляют алюминиевый столбик, который создает область с p-типом проводимости. Для получения в кремнии сильно легированной зоны с n-проводимостью, одну из сторон пластинки перед операцией сплавления покрывают фольгой (или напыляют слой сурьмянистого золота). Такой p-n-переход может изменять свои электрические характеристики под влиянием атмосферных воздействий, влаги, загрязнения. Для защиты диода от внешней среды пластинку из полупроводника вместе с припаиваемыми к ней выводами устанавливают в металлический корпус, который затем герметизируют. Корпус так же защищает полупроводниковый элемент от повреждений и обеспечивает нормальную работу вывода в условиях вибрации, тряски и ударов.
В верхней части корпуса монтируют стеклянный изолятор, через который проходит выводная трубка.
Для лучшего отвода тепла в некоторых плоскостных диодах применяют охладители – это металлические пластинки из меди или алюминия, платы или специальные радиаторы.
Выпрямительный полупроводниковый диод – диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.
Маломощные выпрямительные диоды и диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют конструкцию, аналогичную точечным диодам.
На тяговых подстанциях и электроподвижном составе (ЭПС) применяют мощные силовые кремниевые диоды.