1.5. Типы полупроводниковых диодов

Все полупроводниковые диоды используют свойства выпрямляющего контакта металл-полупроводник либо электронно-дырочного перехода.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. В зависимости от функционального назначения различают: выпрямительные диоды, лавинные диоды, выпрямительные столбы, выпрямительные блоки и сборки, универсальные и импульсные диоды, диоды с накоплением заряда, диодные матрицы и сборки, стабилитроны, стабисторы, ограничители напряжения, генераторы шума, варикапы, варакторы, туннельные диоды, обращённые диоды, СВЧ-диоды, светоизлучающие диоды, излучающие диоды инфракрасного диапазона, фотодиоды и другие.

В технической документации и специальной литературе следует применять условные графические обозначения полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ 2.730-73 (см. таб. 1.5.1.).

Таблица 1.5.1.

Наименование прибора	Обозначение	Наименование прибора	Обозначение	Наименование прибора	Обозначение

Рис. 1.5.1. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды (см. рис. 1.5.1.) предназначены для преобразования переменного тока в однополярный. Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.

Рис. 1.5.2. ВАХ выпрямительного диода

Для p-n-перехода прямой ветви ВАХ в области малых напряжений энергия электрического поля затрачивается в основном на компенсацию контактного электрического поля и понижение потенциального барьера. Поскольку при этом лишь малая часть носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, то сопротивление контакта еще велико. Ток через контакт незначительный и соответствующий этой ситуации участок прямой ветви ВАХ имеет слабый наклон (см. рис. 1.5.2.). При дальнейшем увеличении напряжения энергия носителей оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера и ток резко возрастает.

При обратном смещении p-n-перехода основные носители заряда оттягиваются от p-n-перехода, высота потенциального барьера для них повышается, поэтому основные носители заряда не участвуют в создании электрического тока. Ток образуется неосновными носителями, концентрация которых гораздо меньше. Поэтому ток, протекающий при обратном смещении, гораздо меньше тока при прямом смещении.

К основным статическим параметрам диода относятся:

• прямое падение напряжения при заданном прямом токе ;

• постоянный обратный ток при заданном обратном напряжении

К основным динамическим параметрам относятся:

• - среднее за период значение выпрямленного тока;

• - среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока;

• - среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения; - среднее за период значение обратного напряжения;

• - граничная частота, на которой выпрямительный ток диода уменьшается до установленного уровня

К параметрам электрического режима относятся:

• - дифференциальное сопротивление диода;

• - ёмкость диода, включающая ёмкости электрического перехода и корпуса, если последний существует.

Под предельно допустимыми эксплуатационными режимами работы диодов подразумеваются такие режимы, которые обеспечивают с заданной надёжностью работу приборов в течение оговоренного техническими условиями срока службы.

К параметрам эксплуатационных режимов относятся:

• - максимальное значение выпрямленного тока;

• - максимальное значение допустимого обратного напряжения;

• - максимальная допустимая мощность:

• - минимальная температура окружающей среды для работы диода;

• - максимальная температура окружающей среды для работы диода

Выпрямительные диоды делятся на:

• Силовые (низкочастотные) для использования в выпрямителях =50кГцa.

• Диоды малой мощности: < 300мА

• Диоды средней мощности: 300мА < < 10А

• Диоды большой мощности: 10А <

• Диоды маломощные (высокочастотные для применения в разного рода детекторах =10 100МГц)

Выпрямительные диоды широко применяют в источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шоттки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды,- селеновые и титановые выпрямители.

Рис. 1.5.3. Лавинные диоды

Лавинные диоды – это разновидность выпрямительных диодов, в которых нормируется напряжение лавинного пробоя (см. рис. 1.5.3.). Лавинные диоды используются для защиты цепей от перенапряжения.

Рис. 1.5.4. Выпрямительные столбы

Выпрямительные столбы – это совокупность выпрямительных диодов, включённых последовательно и собранных в единую конструкцию с двумя выводами, используется в высоковольтных выпрямителях (см. рис. 1.5.4.).

Рис. 1.5.5. Выпрямительные блоки и сборки

Выпрямительные блоки и сборки – содержат несколько диодов, электрически независимых или соединённых в виде однофазного или трёхфазного моста (см. рис. 1.5.5.). Позволяют упростить монтаж и уменьшить габариты аппаратуры.

Рис. 1.5.6. Универсальные и импульсные диоды

Универсальные и импульсные диоды отличаются от выпрямительных диодов более высоким быстродействием и большими значениями импульсных токов, имеют другую систему параметров (см. рис. 1.5.6.).

Рис. 1.5.7. Тиристор

Тиристор — полупроводниковый прибор, с четырёхслойной структурой p-n-p-n-типа, обладающий в прямом направлении двумя устойчивыми состояниями - состоянием низкой проводимости (тиристор заперт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт) (см. рис. 1.5.7.).

Рис. 1.5.8. ВАХ тиристора

Участок характеристики между точками OA соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением (см. рис. 1.5.8.). В этом случае основная часть напряжения U_пр падает на коллекторном переходе, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы и включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода. При достижении напряжения, называемого напряжением включения U_вкл, или тока, называемого током включения I_вкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками BC, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками AB находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В обратном направлении тиристор обладает только запирающими свойствами. Т.е тиристор - это управляемый диод.

Рис. 1.5.9. Диоды с накоплением заряда

Диоды с накоплением заряда (ДНЗ) – разновидность импульсных диодов, имеющие малое время обратного восстановления (см. рис. 1.5.9.). Это достигается неравномерным легированием базы.

Рис. 1.5.10. Диодные матрицы

Диодные матрицы – представляют собой интегрированные в одном корпусе или кристалле универсальные и импульсные диоды (диоды соединяются в виде микросхем) (рис. 1.5.10), которые могут быть соединены между собой или изолированы.

Рис. 1.5.11. Стабилитрон	Рис. 1.5.12. ВАХ стабилитрона

Стабилитрон - полупроводниковый прибор, в котором для стабилизации напряжения используется слабая зависимость напряжения лавинного (или туннельного) пробоя от обратного тока через переход. При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U_ст ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина составляет значение 2÷50 Ом (рис. 1.5.12.).

К основным параметрам стабилитрона относятся:

• напряжение стабилизации U_ст при заданном токе стабилизации I_ст;

• дифференциальное сопротивление стабилитрона при заданном токе стабилизации:

• температурный коэффициент напряжения стабилизации :

Для уменьшения температурного коэффициента стабилизации разработаны прецизионные стабилитроны. В них включены один или несколько прямосмещённых p-n-переходов.

Импульсный стабилитрон от обычных стабилитронов отличается повышенным быстродействием и применяется для стабилизации амплитуды импульсов.

Двухсторонний стабилитрон образован двумя импульсными стабилитронами, включёнными встречно. Стабилитроны обычно одинаковы, что приводит к симметричной ВАХ. Используются в двухсторонних ограничителях импульсов.

Рис. 1.5.13. Генератор шума

Генератор шума – это стабилитрон, работающий на грани пробоя (рис. 1.5.13.). Напряжение пробоя стабилитрона в этом режиме нестабильно, поэтому кроме постоянного напряжения генерируется шумовое напряжение. Спектр шума равномерен до частоты 3,5 МГц.

Стабистор – один или несколько последовательно включённых диодов (рис. 1.5.14.), в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ (рис. 1.5.15.).

Рис. 1.5.14. Стабистор	Рис. 1.5.15. ВАХ стабистра

Рис. 1.5.16. Ограничитель напряжения

Ограничитель напряжения – полупроводниковый диод, работающий в режиме туннельного или лавинного пробоя, предназначен для защиты электрических цепей от перенапряжения (рис. 1.5.16.). От обычных стабилитронов отличается высоким быстродействием и большими допускаемыми импульсными токами.

Рис. 1.5.17. Варикап	Рис. 1.5.18. Вольт-ёмкостная характеристика варикапа

Варикап – нелинейный конденсатор на основе p-n-переходов (рис. 1.5.17.), барьерная ёмкость С которого перестраивается с изменением напряжения U на нём (рис. 1.5.18.). При увеличении обратного напряжения смещения емкость варикапа уменьшается. Варактор – варикап, используемый в умножителях частоты (силовой варикап). Используется в радиопередатчиках, там где стоит задача генерировать сигналы большой мощности.

Рис. 1.5.19. ВАХ туннельного диода

Туннельный диод – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными полупроводниками. В этих диодах туннельный эффект проявляется уже при небольших положительных напряжениях на p-n-переходах. Туннельный диод – СВЧ прибор, который работает в сантиметровом диапазоне волн (λ=1÷10 см). Туннельные диоды относятся к негатронам (имеют участок с отрицательным сопротивлением, n-образный участок) n-типа (рис. 1.5.19.). Обращённый диод отличается от туннельных диодов меньшей концентрацией примесей в p- и n-областях. Туннельный эффект проявляется только при обратном напряжении.

Рис. 1.5.20. СВЧ-диод

СВЧ-диод предназначены для работы в сантиметровом и дециметровом диапазоне волн (рис. 1.5.20.) . В зависимости от выполняемой функции делятся на: смесительные, детекторные, параметрические, ограничительные, переключательные, умножительные, настроечные, генераторные (лавинно-пролётные диоды и диоды Ганна)

Рис. 1.5.21. Светоизлучающие диоды

Светоизлучающие диоды предназначены для преобразования элементарной энергии в энергию некогерентного излучения в соответствующем диапазоне волн (рис. 1.5.21.). Излучение возникает при рекомбинации неосновных носителей в базе прямосмещённого p-n-перехода с шириной запрещённой зоны более 1,8эВ.

Рис. 1.5.22. Фотодиоды

Фотодиод предназначен для преобразования световой энергии или энергии инфракрасного излучения в электрическую энергию. Используется в различных датчиках и оптронах (рис. 1.5.22.).