13

Лекции 3_Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним p-п-переходом переходом и двумя выводами (электродами): анод А и катод К.

Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом.

История создания и развития диодов

В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле^[3]. Джэдиш Чандра Боус развил далее открытие Брауна в устройство применимое для детектирования радио. Около 1900 года Гринлиф Пикард создал первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. Первый термионный диод был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) в 1904 году в ноябре шестнадцатого (патент США № 803684 от ноября 1905 года). В 1906 году в ноябре двадцатого Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор (патент США № 836531).

В конце XIX века устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь^[1].

Полупроводниковый диод в стеклянном корпусе. На фотографии виден полупроводник с контактами, подходящими к нему.

Диод ДГ-Ц25. 1959 г.

Как мы говорили на предыдущей лекции при включении р-n-перехода под прямое напряжение U_np сопротивление p-n-перехода R_np снижается, а ток I_пр возрастает. При обратном напряжении U_обр обратный ток I_обр неосновных носителей заряда оказывается во много сотен или тысяч раз меньше прямого тока. При напряжении U > U_обр.max (см. точку а на вольт-амперной характеристике (ВАХ) диода (рис. 1.3)) начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока I_обр, соответствующий электрическому пробою p-n-перехода, переходящий (если не ограничить ток) в необратимый тепловой пробой (после точки б на рис. 1.3).

Точное значение тока диода описывается уравнением, в котором учитываются значения падения напряжения на переходе, температуры перехода и нескольких физических констант. Это уравнение называется уравнением диода:

где,

I = ток диода (А),

I_S = ток насыщения (А), (обычно А),

e = знак экспоненты (константа Эйлера ~ 2,718281828),

q = электрический заряд электрона (1,6 Кл),

V = напряжение на диоде (В),

N = коэффициент «неидеальности» (обычно от 1 до 2),

k = постоянная Больцмана (1,38 ),

T = температура перехода (К).

Делая допущения в отношении указанных значений уравнение диода можно упростить и записать в следующей форме:

где,

I = ток диода (А),

I_S = ток насыщения (А), (обычно 1 х 10-12А),

e = константа Эйлера (~ 2,718281828),

VD = напряжение на диоде (В).

Так как напряжение на полностью открытом диоде не превышает 0,5...0,7 В, то для приближенных расчетов диод рассматривают как вентиль: открыт — закрыт, имеющий ВАХ, изображенную на рис. 1.4.

Основными характеристиками диода являются:

постоянный обратный ток диода

постоянное обратное напряжение диода

постоянный прямой ток диода

диапазон частот диода

дифференциальное сопротивление

ёмкость

пробивное напряжение

максимально допустимая мощность

максимально допустимый постоянный прямой ток диода

Эти характеристики лежат в основе использования различных видов диодов.

По размеру p-n-перехода диоды делятся на:

плоскостные

точечные

Точечные диоды имеют очень малую площадь p-n-перехода (рис. 339). Точечный электрический переход создают в месте контакта небольшой пластинки полупроводника (2) и острия металлической проволочки-пружины (1). При сильном местном нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в пластинку полупроводника, образуя слой с проводимостью иного типа, чем полупроводник. Между этим слоем и пластинкой образуется р-n-переход полусферической формы. Площадь р-n-перехода составляет примерно . Точечные диоды в основном изготовляют из германия n-типа, металлическую пружинку из тонкой проволочки (диаметром от 0.05 мм до 0.1 мм), материал которой для германия p-типа должен быть акцептором (например, бериллий). Корпус точечных диодов герметичный. Он представляет собой керамический или стеклянный баллон, покрытый черной светонепроницаемой краской (во избежание проникновения света, так как кванты света могут вызвать генерацию носителей заряда вблизи р-n-перехода, а следовательно, увеличить обратный ток диода).

Благодаря малой емкости контактного слой точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.

Диоды с точечным контактом использовались в течение нескольких десятилетий вплоть до изобретения современных плоскостных диодов.

Даже в наши дни в связи с их низким ёмкостным сопротивлением диоды с точечным контактом используются для обнаружения сверхвысоких частот.

Плоскостной диод — полупроводниковый прибор, образованный р-п переходом с двумя металлическими контактами (выводами), которые присоединенными к р- и п-областям и хорошо проводящими электрический ток.

Плоскостные диоды имеют плоский электрический переход. Площадь может составлять от сотых долей квадратных миллиметров (микроплоскостные диоды) до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды). Переход выполняют в основном методами вплавления или диффузии.

Плоскостные диоды используются для работы на частотах до 10 кГц. Ограничение по частоте связано с большой барьерной емкостью р-n-перехода (до десятков пкФ).

Плоскостные диоды, как и точечные, могут быть выполнены с контактом металл – полупроводник. Емкость электрического перехода таких диодов небольшая, время перезарядки емкости, следовательно, мало, поэтому их используют для работы в импульсных режимах (сверхскоростные импульсные диоды). Плоскостные диоды бывают малой мощности (до 1 Вт), средней мощности (на токи до 1 А, напряжение до 600 В) и мощные (на токи до 2000 А)

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды делятся на:

выпрямительные диоды;

импульсные диоды;

детекторные диоды;

смесительные диоды;

переключательные диоды;

параметрические диоды;

ограничительные диоды;

умножительные диоды;

настроечные диоды;

генераторные диоды.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий).

Диодный выпрямитель или диодный мост (то есть 4 диода для однофазной схемы) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств.

Из ВАХ диода следует, что он обладает неодинаковой электрической проводимостью в прямом и обратном направлениях его включения. Поэтому полупроводниковые диоды используют в схемах выпрямления переменного тока в постоянный ток.

В цепях с повышенной мощностию используются плоскостные диоды средней и большой мощности.

В высокочастотных и импульсных маломощных цепях электронных устройств используют точечные диоды:

кремниевые типа КД или 2Д и германиевые типа ГД или 1Д, из арсенида галлия типа ЗД.

К маломощным относят диоды с мощностью рассеивания до 0,3 Вт, к диодам средней мощности от 0,3 до 10 Вт, диоды большой мощности с мощностью рассеяния Р > 10Вт.

Например, диоды ГД107А, КД203Д рассеивают мощность Р от 1 до 1,5 Вт, а диод КД512А — мощность Р > 1,5 Вт.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

Импульсные диоды используют в ключевых схемах при малых длительностях импульсов (микросекунды и доли микросекунд).

Особенностью таких диодов является малая длительность рекомбинации носителей заряда — восстановление обратного сопротивления за счет уменьшения барьерной ёмкости C_бар р-n-перехода.

Детекторные диоды предназначены для выявления (детектирования) сигнала.

Детекторные диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной составляющей из модулированного сигналов.

Диодные детекторы применяются почти во всех радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п.

В работе диода используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.