4 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан в основном на использовании свойств р-n перехода. (Но есть диоды без использования р-n-перехода).

Дискретный диод помещен в стеклянный, металлический или керамический корпус.

4.1 Классификация полупроводниковых диодов

В таблице 4.1 приведена классификация диодов в зависимости от свойств р-n-перехода.

Таблица 4.1

Свойство p-n-перехода	Название диода	применение
униполярная проводимость	низкочастотные выпрямительные диоды	источники питания
	вч и свч выпрямительные диоды	детекторы, измерительные схемы
нелинейность ВАХ	преобразовательные диоды	смесители, умножители, модуляторы
	импульсные диоды	импульсные схемы
лавинный пробой	стабилитрон	стабилизаторы напряжения
туннельный эффект	туннельные диоды	усилители, генераторы, переключатели
барьерная емкость	варикапы	параметрические схемы, генераторы
зависимость тока от облучения	фотодиоды	фотогенераторы, преобразователи
излучательная рекомбинация	светодиоды	индикаторы, источники света

4.2 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Используется свойство односторонней проводимости р-n-перехода. Электрод с большей концентрацией основных носителей называется- эмиттером (Э), электрод с меньшей концентрацией основных носителей – базой (Б).

В большинстве случаев выпрямительные диоды являются плоскостными, причем р-n-переход германиевых диодов создают исключительно сплавным методом, а для изготовления кремниевых диодов используют сплавной и диффузионный методы. Для получения больших значений выпрямленных токов в выпрямительных диодах используют электронно-дырочные переходы с большой площадью, поскольку для нормальной работы диода плотность тока через переход не должна превышать 1…2 А/мм².

К ремниевые диоды сохраняют работоспособность при более высоких температурах – до (125…150)С, а германиевые теряют свои свойства при температурах, превышающих 85С. Кремниевые диоды из-за низкой собственной электропроводности выдерживают максимально допустимое обратное напряжение до 1500 В, тогда как германиевые диоды – лишь 400…500В. Однако у кремниевых диодов больше падение напряжения (до 2 В) при прямом смещении, чем в германиевых (менее 1 В).

Основной характеристикой выпрямительного диода является его вольт-амперная характеристика. На рисунке 4.1 приведены ВАХ р-n-перехода (1) или теоретическая и диода (2) или реальная.

Рисунок 4.1

Отличие реальной ВАХ от теоретической:

1)в области малых прямых токов характеристики совпадают, в области больших прямых токов становится значительным падение напряжения на сопротивлении полупроводников и электродов. Характеристика идет ниже и почти линейно.

2) при повышении обратного напряжения ток медленно растет в результате:

а) термической генерации носителей в переходе. С увеличением ширины перехода, увеличивается его объем, и увеличивается число генерируемых носителей, т.е. увеличивается тепловой ток. Обратное допустимое напряжение до 400 вольт, допустимая температура до (60-70)С.

б) поверхностной проводимости р-n перехода за счет ионных и молекулярных пленок на поверхности перехода.

Различие ВАХ в зависимости от материала изготовления - германия (Ge) и кремния (Si) показаны на рисунке 4.3

Влияние температуры на ВАХ германиевого диода показано на рисунке 4.4.

Т.к повышается концентрация неосновных носителей при повышении температуры, то повышается обратный ток I_обр.

С повышением температуры напряжение пробоя увеличивается из-за теплового рассеяния подвижных носителей и уменьшения средней длины их свободного пробега в р-п переходе до пробоя.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

постоянное прямое напряжение U_пр при заданном прямом токе I_пр;

максимально допустимое обратное напряжение U_{обр max}, при котором диод еще может нормально работать длительное время;

постоянный обратный ток I_обр, протекающий через диод при обратном напряжении U_{обр max};

средний выпрямленный ток I_{вп ср}, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре нагрева;

максимально допустимая мощность P_max, рассеиваемая диодом, при котором обеспечивается заданная надежность диода.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока I_{вп ср} диоды делятся на маломощные (менее 0,3 А), средней мощности (0,3…10 А) и большой мощности (более 10 А). Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми.

Соединение вентилей.

Иногда используется параллельное или последовательное соединение вентилей.

а) если U_обр.>U_{обр. доп.}, то используется последовательное соединение (рисунок 4.5). Для выравнивания обратных сопротивлений диодов необходимо их шунтировать резисторами R_ш, чтобы равномерно разделить обратные напряжения на вентилях. R_ш=(0,10,2)R_обр . Промышленностью 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.

Рисунок 4.5

б) если I_пр.>I_{пр. доп.} , то применяется параллельное соединение вентилей (рисунок 4.6). При этом для выравнивания прямых сопротивлений диодов последовательно с ними включаются резисторы с малым сопротивлением R_доб

R_доб = (510)R_{д. прям.}

Рисунок 4.6

Группы идентичных маломощных диодов часто выпускают 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 применяется параллельное, последовательное, мостовое и другие соединения.

Выпрямительные полупроводниковые диоды являются низкочастотными и способны работать на частотах 50…10⁵Гц (силовые диоды – на частотах 50 Гц).