3. 4. Диоды

Диодом называется двухэлектродный⁴ прибор с односторонней проводимостью электрического тока. Диоды могут быть электровакуумные, ионные и полупроводниковые. Диоды применяют в радиотехнике, электронике и энергетике, главным образом, для выпрямления переменного тока, детектирования, преобразования и умножения частоты, переключения электрических цепей. Условное обозначение диода приведено на рис. 3.6. Диод на принципиальных электрических схемах обозначается в виде стрелки (треугольника), остриё которой направлено по току. Соответственно, один контакт является анодом диода и, на рисунке 3.6, обозначен буквой – А. Другой контакт называется катодом и обозначен буквой - К. Направление тока в диоде от анода к катоду называется прямым. Прямое направление тока в диоде на рисунке 3.6 показано дополнительной стрелкой.

Рис. 3.6. Условное обозначение диода (стрелка и буквы А и К на схемах не ставятся).

В настоящее время в электронике применяются преимущественно полупроводниковые диоды, которым и будет посвящён дальнейший материал.

3.4.1. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим переходом между областями полупроводникового вещества и с двумя выводами.

Полупроводниковые диоды изготавливаются на основе полупроводников, то есть, материалов, характеризующихся значениями электропроводности σ, промежуточными между электропроводностью металлов и хороших диэлектриков.

В полупроводниковых диодах используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (p-n) переход, разделяющий р и n области кристалла полупроводника [9]. Пространственное распределение объёмных зарядов представлено на рис. 3.7. Одна из областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (неосновных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, называется базой. Обозначим р_р дырки в р области. Дырки⁵ в р области являются основными зарядами. Для области n основные носители заряда – электроны, обозначим их n_n. Если эмиттером является р-область, то выполняется условие р_р>>n_n.

Рис. 3.7. Пространственное распределение объёмных зарядов p-n перехода в отсутствие внешнего напряжения.

На рисунке показан результат диффузии дырок из p области в n область и встречной диффузия электронов. Область объёмного заряда со стороны базы больше, поскольку, как сказано выше, концентрация электронов n_n в базе значительно меньше, чем концентрация дырок p_p в эмиттере.

Вольтамперная характеристика диода показана на рис. 3.8. Из рассмотрения характеристики следует, что диод является нелинейным прибором с односторонней проводимостью.

Рис. 3.8. Вид вольтамперной характеристики полупроводникового диода.

Вольтамперная характеристика диода описывается следующим выражением [9]

,

где U_Д - напряжение на p-n – переходе; φ_Т =kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов⁶ φ_к на границе p-n – перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т= 300⁰ К, φ_Т= 0,025 В); k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q - заряд электрона, а I₀ – значение теплового тока при комнатной температуре.

Рисунок 3.8 и выражение для тока являются соответственно идеальными графическим и аналитическим выражениями для зависимости тока диода от приложенного напряжения.

При отрицательных напряжениях 0,1-0,2 В экспоненциальная составляющая по сравнении с единицей мала (EXP(-0,1/0,025)=0,0183) и ею можно пренебречь. При положительных напряжениях, превышающих 0,1В (ЕХР(4)≈54,6) можно пренебречь единицей.

Характеристики реальных диодов на практике отличаются от идеальной, поскольку переход не является бесконечно длинным и широким и бесконечно тонким. Характеристика реального диода приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Вольтамперная характеристика реального диода.

Диоды характеризуются статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, которые можно определить по вольтамперной характеристике.

Статическое сопротивление (R_ст) численно равно отношению напряжения на диоде к протекающему через него току, рис 3.10. В силу нелинейности характеристики на разных участках характеристики величина R_CT различна. Дифференциальное сопротивление (r_д) численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока.

R_CT=U_A/I_A

r_Д = dU/dI ≈ ∆U/∆I,

Где ∆U и ∆I – конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки.

Рис. 3.10. Определение статического и динамического сопротивлений по вольтамперной характеристике.

Обратный ток p-n – перехода, образованный за счёт неосновных носителей, называется тепловым током I₀. Для германиевых диодов обратным током, в основном, является тепловой ток. Реальные обратные токи германиевых диодов примерно на три порядка больше, чем обратные токи кремниевых диодов.

Когда обратное напряжение достигает напряжения пробоя, начинается электрически й пробой p-n – перехода, обратный ток нарастает лавинообразно. Если этот ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой. Такой процесс нарастания I_обр характерен для кремниевых диодов. В германиевых диодах при увеличении обратного напряжения тепловой пробой p-n – перехода начинается практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания обратного тока. Электрический пробой обратим, после уменьшения обратного напряжения рабочая точка диода возвращается на пологий участок обратной ветви характеристики. Тепловой пробой необратим, так как разрушается p-n –переход. Переход разрушается вследствие перегрева. Максимальная рабочая температура для кремниевых диодов достигает 150 ÷200⁰С, в то время как для германиевых только 75÷90⁰С.

При работе на высоких частотах и в импульсном режиме начинает сказываться влияние ёмкости диода С_Д. Эта ёмкость измеряется между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Ёмкость С_Д включает в себя ёмкость корпуса диода С_К и ёмкость перехода С_пер, образованную диффузионной и зарядной емкостями

С_Д = С_ДИФ + С_ЗАР + С_К.

Диффузионная ёмкость образуется в приконтактном слое p-n - перехода за счёт изменения заряда при изменении приложенного напряжения. Заряд изменяется благодаря изменению количества диффундирующих дырок и электронов.

С_ДИФ= ∆Q/∆U

Зарядная ёмкость проявляется при обратном напряжении на p-n – переходе и обусловлена изменением объёмного заряда на нём. Область объёмного заряда представляет собой двойной слой неподвижных объёмных зарядов. Этот двойной слой можно соотнести с обкладками заряженного плоского конденсатора. Отношение изменения объёмного заряда ∆Q_ЗАР к вызвавшему его изменению запирающего напряжения ∆U_ОБР равно величине зарядной⁷ ёмкости. Частотные свойства диодов можно анализировать с помощью эквивалентной схемы, приведённой на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схема замещения полупроводникового диода.

Наряду с p-n переходом применяют переход между металлом и полупроводником типа n. Такой переход, обладающий односторонней проводимостью, называют переходом Шоттки⁸.