2.2 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, работа которого основана на свойствах p-n - перехода. Основным свойством p-n – перехода является односторонняя проводимость.

Конструктивно диод состоит из p-n-перехода, заключенного в пластмассовый или металлический корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод.

Т.о. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду.

Односторонняя проводимость диода видна из его вольт – амперной характеристики (рис. 10,б).

а) б)

Рисунок 10 - Полупроводниковый диод: а - условное графическое обозначение диода; б - вольт-амперная характеристика диода

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды подразделя­ют на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, туннельные и обращенные диоды, светодиоды и фотодиоды.

Выпрямительные диоды

Предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц) в постоянны, т.е. для выпрямления.

Выпрямительные свойства основываются на односторонней проводимости p-n-перехода. При прямом включении («+» на анод и «-» на катод) диод открыт и через него протекает достаточно большой прямой ток. В обратном включении («-» на анод и «+» на катод) диод заперт, но протекает малый обратный ток.

ВАХ выпрямительного диода изображена на рис. 10,б.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются :

- максимально допустимый прямой ток Iпр mах;

- максимально допустимое обратное напряжение Uo6p max;

- прямое напряжение Uпр;

- обратный ток Iобр.

С целью увеличения I_пр.max и U_обр.max изготавливают диодные столбы, сборки, матрицы, представляющие собой последовательно-параллальное, мостовое или другие соединения p-n-переходов.

По мощности выпрямительные диоды подразделяются на маломощные (прямой ток до 0.3 А), средней (ток от 0.3 до 10 А) и большой мощности (ток от 10 А и выше).

Универсальные диоды служат для выпрямления токов в ши­роком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц), для различных нелинейных преобразований сигналов (модуляции, умножения). Парамет­ры этих диодов те же, что и у выпрямительных, только вводятся еще до­полнительные: максимальная рабочая частота (мГц) и емкость диода (пФ).

Импульсные диоды предназначены для преобразования им­пульсного сигнала, применяются в быстродействующих импульсных схе­мах. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспе­чением быстрой реакции прибора на импульсный характер подво­димого напряжения - малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно.

Импульсные диоды характеризуются временем установления прямого сопротивления (t_уст) временем восстанов­ления обратного сопротивления (t_восст).

Стабилитроны

Это полупроводниковые диоды, падение напряжения на которых мало зависит от протекающего тока. Служат для стабилизации напряжения.

Принцип работы стабилитронов и стабисторов основан на использовании неразрушающего электрического пробоя p-n - перехода под действием обратного (стабилитрон) или прямого (стабистор) напряжения. Они применяются для стабилизации (поддержа­ния постоянным) напряжения при изменении силы тока в определенных пределах.

У стабилитронов рабочей является обратная ветвь ВАХ, в схемах они включаются в обратном направлении. С их помощью стабилизируется на­пряжение от 3,5 В и выше. Для стабилизации малых напряжений (поряд­ка 1 В) применяются стабисторы, у которых используется прямая ветвь ВАХ. Они включаются в прямом направлении.

Основным параметром стабилитронов и стабисторов является напряжение стабилизации U_СТ.

Шкала напряжений стабилизации современных стабилитронов лежит в пределах 1 - 1000 В.

Рисунок 11 - Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Недостатком стабилитронов являются малые токи стабилизации, так как рабочим током стабилитрона является обратный ток.

Туннельные и обращенные диоды

Рисунок 12 - Вольт-амперная характеристика туннельного и обращенного диодов

Туннельный диод имеет участок на ВАХ, на котором при росте напряжения ток через диод уменьшается. Это позволяет применять их для усиления и генерирования электрических сигналов в СВЧ диапазоне.

Обращенные диоды имеют обратную ВАХ, т.е. при небольшом U_обр ток через диод достаточно велик. Используются как выпрямительные для сигналов малой амплитуды.

Варикапы

Принцип действия варикапа основан на свойстве p-n-перехода изменять значение барьерной емкости при изменении на нем ве­личины обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением. В схемах варикапы включаются в обратном направлении. Емкость ва­рикапа имеет зависимость от приложенного обратного напряжения, пока­занную на рис. 13.

Рисунок 13 - Зависимость емкости варикапа от приложенного обратного напряжения

С ветодиоды - это полупроводниковые диоды, принцип действия которых основан на излучении p-n-переходом света при прохождении через него прямого тока.

Фотодиоды – обратный ток зависит от освещенности p-n-перехода.

Диоды Шот­ки

Металлополупроводниковые выпрямительные переходы в свое время исследовал немец­кий ученый В. Шотки, и поэтому потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером — диодами Шот­ки. В диодах Шотки (в металле, куда приходят электроны из полупроводника) отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов неосновных но­сителей, характерные для электронно-дырочных переходов. Поэтому диоды Шотки обладают значительно более вы­соким быстродействием, нежели обычные диоды, так как накопление и рассасы­вание зарядов — процессы инерционные, т. е. требуют времени.

Диоды изготавливают из германия, кремния, карбида кремния, арсенида и фосфида гал­лия, индия и других полупроводников и помещают в стеклянные, метал­лические или пластмассовые корпуса.

Н аиболее широкое распространение получили диоды на основе кремния, вытеснившие германиевые диоды. Это обусловлено следующими преимуществами кремниевых диодов: работа при более высоких температурах и больших обратных напряжениях, большие допустимые плотности прямого тока, малые обратные токи; преимущества германиевых диодов: малое падение напряжения при пропускании прямого тока (0,3-0,6 В против 0,8- 1,2 В у кремниевых).

Рисунок 14 – ВАХ германиевого и кремниевого диодов

Наилучшими характеристиками обладают диоды на основе карбида кремния SiC-диоды. Это определяется высокой рабочей температурой – 600 °С, высокая плотность тока, обратное напряжение свыше 1200 В.

По кон­структивно-технологическому исполнению различают точечные и пло­скостные диоды. У точечных диодов p-n-переход образуется в месте контакта полупроводниковой пластины с острием металлической иглы. У плоскостных диодов p-n-переход создается на границе раздела полупроводников с электропроводимостью разных типов. Пло­скостные диоды предназначены для электрических цепей, в которых про­текают большие токи. Однако эти диоды характеризуются повышенной междуэлектродной емкостью, что ограничивает их применение для рабо­ты в диапазоне высоких частот. Точечные диоды используют в цепях с малыми токами и в высокочастотных устройствах, когда требуется малое значение емкости p-n-перехода. С помощью специальных технологиче­ских приемов изготавливают плоскостные диоды с очень малой площа­дью переходов - микроплоскостные и диффузионные метадиоды. Они сочетают достоинства плоскостных и точечных диодов.