1.1.3. Полупроводниковые приборы группы диодов

Существует много приборов, использующих различные свойства одиночного р-n-перехода либо перехода металл – полупроводник. Условные графические обозначения основных диодных полупроводниковых приборов приведены на рис.4.1.

Рис. 7. Условные графические обозначения полупроводниковых приборов семейства диодов: а – диод; б – стабилитрон; в – двуханодный стабилитрон; г – диод Шоттки; д – варикап; е – туннельный диод; ж – обращенный диод

Выпрямительные и импульсные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования низкочастотного переменного тока в постоянный. К быстродействию и стабильности параметров таких диодов не предъявляют специальных требований. При анализе их работы используют уравнение (7). Условное графическое обозначение диода приведено на рис. 7, а.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются максимальный прямой ток , максимальное обратное напряжение , прямое падение напряжения на диоде .

Импульсные диоды характеризуются малой длительностью переходных процессов и предназначены для работы с быстро изменяющимися сигналами. Их особенностью являются малые емкости р-п–перехода. Основным параметром является время восстановления обратного сопротивления .

Диоды Шоттки в качестве выпрямляющего используют контакт металл – полупро­водник. Условное графическое обозначение диода Шоттки представлено на рис. 7, г.

При работе диода Шоттки отсутствует инжекция не­основных носителей и соответствующие явления накоп­ления и рассасывания заряда, поэтому диоды Шоттки – очень быстродействующие приборы, работающие на ча­стотах до десятков ГГц. Отличие ВАХ диода Шоттки от ВАХ обычного диода состоит в том, что прямая ветвь представляет почти идеальную экспоненту и прямое падение напряжения на нем существенно меньше, чем на обычном диоде, а обратная ветвь характеризуется значительно меньшими токами.

Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроны работают в режиме электрического про­боя. В этом режиме при значительном изменении тока через стабилитрон падение напряжения на нем изменяется незначительно, т.е. происходит стабилизация напряжения. Условное графическое обозначение стабилитрона представлено на рис. 7, б.

В стабилитронах может иметь место туннельный, лавинный и смешанный пробой. В низковольтных стабилитронах (до 5,7 В) имеет место туннельный пробой, а в высоко­вольтных стабилитронах – лавинный пробой.

Стабилитрон характеризуется следующими основными параметрами: напряжением стабилизации ; минимальным и максимальным током стабилизации; дифференциальным сопротивлением ; температурным коэффициентом напряжения стабилизации . У стабилитронов с туннельным пробоем коэффициент отрицателен. У стабилитронов с лавинным пробоем коэффициент положителен.

Иногда стабилитрон с лавинным пробоем включают последовательно с диодом, работающим в прямом направ­лении. У диода соответствующий температурный коэффи­циент отрицательный, и он компенсирует положительный коэффициент стабилитрона.

Не рекомендуется использовать стабилитрон при обратном токе, меньшем, чем , так как cтaбилизация напряжения при этом будет неудовлетворительной (дифференциальное сопротивление будет чрезмерно большим). Если же обратный ток превысит , то стабилитрон может перегреться, начнется тепловой пробой и прибор выйдет из строя.

В режиме пробоя отсутствует инжекция неосновных носителей и поэтому нет накопления избыточных зарядов. Вследствие этого стабилитрон является быстродействую­щим прибором и хорошо работает в импульсных схемах.

Для двухстороннего ограничения напряжения используют двуханодные стабилитроны, которые стабилизируют напряжение любой полярности. Условное обозначение такого стабилитрона показано на рис. 7, в.

Стабисторы для стабилизации напряжения используют прямую ветвь ВАХ p-n-перехода. При достаточном токе падение напряжения на прямосмещенном p-n-переходе мало зависит от тока. Стабистор предназначен для ста­билизации малых напряжений (0,35 … 2,1 В).

Шумовые диоды (генераторы шума) предназначены для генерации шумового напряжения. По виду ВАХ и схеме включения они практически не отличаются от стабилитронов, но режим их работы выбирается таким образом, чтобы обратный ток (ток пробоя) был меньше . В этом случае параметры напряжения пробоя нестабильны, в результате чего возникают случайные колебания этого напряжения, т.е. шум.

Генераторы шума характеризуются спектральной плотностью шумового напряжения , которая значительно зависит от обратного тока.

Туннельные и обращенные диоды

Туннельные диоды используют явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особен­ностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольт-амперной характеристики участка с отрица­тельным дифференциальным сопротивлением. Условное графическое обозначение туннельного диода представле­но на рис. 7, е.

Наличие на ВАХ участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать туннельные диоды для построения усилителей и генераторов [9].

Общая емкость диода в точке минимума характеристи­ки составляет 0,8...1,9 пФ. Отметим, что проверка туннельного диода тестером не допускается. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах — более 1 ГГц.

Обращенные диоды по принципу действия подобны туннельным диодам, отличие состоит в том, что на ВАХ обращенно­го диода участок с отрицательным дифференциальным сопро­тивлением практически отсутствует. Условное графическое обозначение обращенного дио­да представлено на рис. 7, ж.

Обратная ветвь ВАХ обра­щенного диода отличается очень малым падением напряжения и используется в качестве прямой ветви «обыч­ного» диода, а прямая ветвь — в качестве обратной ветви. Обращенные диоды применяются для выпрямления очень малых напряжений.

Приборы, использующие емкость p-n-перехода

Варикапы предназначены для работы в качестве управляемой напряжением емкости. Условное графическое обо­значение варикапа представлено на рис. 7, д.

Варикап использует явление барьерной емкости p-n-перехода, поэтому на него подают запирающее напряжение. Емкость варикапа уменьшается при увеличении напряжения в соответствии с формулой (8).

Диоды с накоплением заряда (с резким восстановлением обратного сопротивления). В этих приборах используется явление диффузионной емкости p-n-перехода. При резком изменении напряжения с прямого на обратное будет происходить рассасывание инжектированного в базу заряда неосновных носителей. Этот процесс можно разбить на две фазы. Первая – фаза высокой обратной проводимости – определяется временем от момента прохождения тока через нуль до начала спада обратного тока. За время первой фазы происходит рассасывание заряда неосновных носителей. Её длительность зависит от количества накопленных в базе неосновных носителей и скорости их удаления, т.е. от амплитуды прямого и обратного токов. Длительность второй фазы – фазы спада обратного тока - определяется временем уменьшения обратного тока до малого значения теплового тока. При малой длительности второй фазы импульс обратного тока имеет почти прямоугольную форму.

Такие диоды используются в формирователях сверхкоротких импульсов большой амплитуды. Их основными параметрами являются заряд переключения и максимально допустимый обратный импульсный ток.