1. ТеоретическИе сведения

Полупроводниковыми диодами называются электро-преобразовательные устройства с р-n переходом, имеющие два вывода. К полупроводниковым диодам также относят некоторые электропреобразовательные полупроводниковые приборы с тремя и более р-n переходами, имеющие два или три вывода, предназначенные для использования в качестве управляемых и неупраляемых переключателей (динисторы, тиристоры и симисторы).

Промышленность выпускает много типов полупровод­никовых диодов, различных по назначению и конструкции, а также по параметрам и характеристикам. Основным материалом для изготовления полупроводниковых диодов является германий, кремний и арсенид галлия.

По назначению полупроводниковые диоды разделяются на выпрямительные; импульсные; смесительные и детектор­ные диоды; стабилитроны; варикапы; фото- и светодиоды; диоды с отрицательным  дифференциаль­ным сопротивлением и переключающие диоды.

На электрических принципиальных схемах (рис. 1) вы­прямительные, универсальные, импульсные и сверхвысоко­частотные диоды обозначаются в виде общего обозначения диода VD₁. Для обозначения стабилитронов используется обозначение диода VD₂, диодных тиристоров (динисторов) - VD₃, триодных тиристоров (тиристоров) - VD₄, варикапов - VD₅, диодов Шотки VD₆, фотодиодов – VD₇, светодиодов – VD₈, туннельных диодов VD₉, обращенных диодов VD₁₀ и диодных выпрямительных мостов – VD₁₁.

П о конструкции различают плоскостные и точечные диоды. В точечных диодах площадь р-n перехода значительно меньше, чем в плоскостных, что определяет их меньшую емкость, но и ограничивает пропускаемый через диод ток.

С 1973 г. действует система обозначений диодов, маркировка диодов по которой состоит из четырех элементов.

Первый элемент - буква или цифра, обозначающая исходный материал, используемый для изготовления р-n переходов: Г или 1 - германий, или его соединения; К или 2 - кремний, или его соединения, А или 3 соединения галлия (арсенида галлия и др.) - цифра указывается для приборов специального назначения – (повышенной надежности).

Второй элемент обозначения - буква, указывающая подкласс или группу приборов: А - сверхвысокочастотные диоды; В - варикапы; Д - выпрямительные, универсальные импульсные диоды; И - туннельные диоды; Л - светодиоды; ЛС - светодиодные сборки; Н - неуправляемые многослойные переключающие диоды - диодные тиристоры (динисторы); У - управляемые многослойные переключающие диоды - триодные тиристоры (тиристоры); Ф - фотодиоды; Ц - выпрямительные столбы и блоки.

Третий элемент обозначения - число, характеризующее назначение, и(или) электрические свойства диода. Число может иметь значение от 101 до 999, определяющее для каждого типа диода определенные характеристики.

Четвертый элемент обозначения - буква, указывающая разновидность типа из данной группы приборов.

Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для использования в качестве вентилей (элементов с односторонней проводимостью) в устройствах преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямительные диоды имеют плоскостную конструкцию и изготавливаются на основе германия и кремния.

К группе выпрямительных диодов относятся также выпрямительные столбы, мосты и блоки, представляющие собой несколько выпрямительных диодов (в зависимости от марки), соединенных определенным образом и имеющих один общий корпус.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются параметры, определяющие их работу в выпрямительных схемах:

 прямой ток I_пр - значение тока, протекающего через диод в прямом направлении, когда к нему приложено напряжение 1 В (у некоторых типов диодов 0,5 или 2 В);

 наибольший обратный ток I_обр - значение обратного тока диода при приложении к нему постоянного обратного напряжения, допустимого для данного типа диода;

 выпрямленный ток I_выпр - среднее значение выпрямленного тока, протекающего длительное время через диод и не вызывающего выхода его из стоя;

 прямое падение напряжение U_пр - среднее за период значение падения напряжения на диоде, работающем в схеме выпрямления переменного тока;

 наибольшая амплитуда обратного напряжения U_обр - наибольшее напряжение, которое можно подавать в запорном направлении на диод в течение длительного времени.

Выпрямительные диоды разделяются по выпрямленному току на маломощные (до 0,3 А), средней мощности (от 0,3 до 10 А) и большой мощности (более 10 А).

Некоторые типы выпрямительных диодов средней и большой мощности заключены в металлический корпус, имеющий резьбовую часть для закрепления на специальных металлических радиаторах, обеспечивающих отведение от диода тепловой энергии для исключения возможности их перегрева при больших выпрямленных токах.

В настоящее время в электронной аппаратуре находят применение разнообразные выпрямительные диоды и блоки. Среди применяемых в приборах диодов можно выделить диоды марок: Д7, Д226, Д205, Д245, Д246 - (старые обозначения), КД105, КД109, КД202, КД205, КД226 и др. Также используются различные выпрямительные блоки (в основном мосты) марок КЦ401, КЦ405, КЦ407 и др.

Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных режимах в устройствах формирования и преобразования импульсных сигналов, а также в ключевых и логических схемах различных устройств автоматики и вычислительной техники.

Импульсные диоды, как правило, имеют малую площадь электрического перехода. Это позволяет значительно уменьшить емкость перехода (не выше единиц пикофарад), что очень важно для увеличения скорости передачи сигналов в импульсных устройствах (для получения быстродействующих приборов). В то же время, малая площадь перехода импульсных диодов определяет относительно малое значение тока, пропускаемого этими диодами и низкую допустимую мощность рассеяния (20  30 мВт).

Высокими характеристиками обладают импульсные диоды, выполненные на основе электрического перехода металл-полупроводник, получившие название диодов Шотки.

^{Эти диоды являются быстродействующими и могут работать на частотах до десятков гигагерц. Диоды Шотки характеризуются малым обратным током и малым прямым напряжением (порядка 0,5 В). Максимально допустимый прямой ток может составлять десятки и сотни ампер, а максимально допустимое обратное напряжение – сотни вольт.}

В настоящее время из импульсных диодов в электронной аппаратуре широко используются диоды марок Д219, Д220, Д223 – (старые обозначения), КД503, КД512, КД514, КД923 и др. Диоды КД514 и КД923 являются диодами Шотки.

Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в супергетеродинных приемниках, приемниках прямого преобразования, в диодных модуляторах сигналов и т.п. Большинство смесительных диодов разработано для преобразователей частоты сверхвысокочастотного диапазона (например, для антенн спутникового телевидения, для радиолокационных приемников) в виде специальных конструкций, предназначенных на их включение в коаксиальный или волноводный тракт радиоаппаратуры. Смесительные диоды выполняются точечной конструкции из германия, кремния или арсенида галлия.

В настоящее время в смесителях радиоприемников СВЧ диапазона находят применение диоды марок КД503, КД512, КД514, КА102, АА103 и др.

Д етекторные диоды предназначены для детектирования радиосигналов в радиоприемных и различных измерительных устройствах. Детекторные диоды по конструкции относятся к точечным диодам. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) детекторных диодов описывается квадратичной зависимостью тока от напряжения.

В радиоэлектронной аппаратуре в качестве детекторных диодов широко используются различные высокочастотные диоды марок Д9, Д18 (старые обозначения), КД503, КД512, КД522 и др.

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений питания радиоаппаратуры, цепей фиксации и изменения уровня напряжения и т.д.

Наиболее широко стабилитроны используются в стабилизированных источниках электропитания аппаратуры и в схемах параллельных и последовательных стабилизаторов напряжения.

По конструкции стабилитроны представляют собой плоскостные диоды. у которых используется обратная ветвь ВАХ в области пробоя (рис. 2). Напряжение пробоя определяет напряжение стабилизации стабилитрона. Для изготовления р-n переходов стабилитронов обычно используется кремний с различной концентрацией примесей, что позволяет получать стабилитроны с различным напряжением пробоя - напряжения стабилизации.

Основными параметрами стабилитронов являются: напряжение стабилизации, максимальный и минимальный допустимые токи стабилизации, допустимая максимальная мощность рассеяния на стабилитроне, дифференциальное сопротивление стабилитрона и температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Напряжение стабилизации U_ст - значение напряжения на стабилитроне при протекании через него заданного тока стабилизации. Это напряжение определяется напряжением пробоя перехода и для разных стабилитронов составляет от 0,7 до 400 В.

Максимальный и минимальный допустимые токи стабилизации I_ст.max и I_ст.min (рис. 2) ограничивают область ВАХ стабилитрона, которая может быть использована для стабилизации напряжения при условии обеспечения заданной надежности работы диода.

Допустимая максимальная мощность рассеяния Р_доп определяет максимальную мощность, которая может рассеиваться на стабилитроне в течение времени его работы и зависит от конструкции и размеров р-n перехода и корпуса стабилитрона.

Дифференциальное сопротивление R_ст = du_ст/di_ст стабилитрона определяется отношением изменения напряжения стабилизации dU_ст к изменению тока стабилизации dI_ст и определяет постоянство стабилизируемого напряжения при изменении тока стабилизации. Чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона, тем меньше изменение напряжения стабилизации.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации _ст определяется изменением напряжения стабилизации при изменении температуры перехода диода на 1 градус.

По допустимой рассеиваемой мощности  стабилитроны разделяются   на   маломощные   (Р_доп < 0,3 Вт), средней мощности (0,3 Вт  Р_доп < 5 Вт) и мощные (Р > 5 Вт). Большинство стабилитронов средней и большой мощности выполняются в металлических корпусах с резьбовой частью, обеспечивающей закрепление стабилитронов на специальных радиаторах, исключающих перегрев диодов в рабочем режиме от выделяемой на диоде мощности при прохождении через переход тока стабилизации.

При маркировке стабилитронов третий-четвертый элементы обозначения представляет собой трехразрядное число, определяющее мощность стабилитрона (старший разряд - цифра от 1 до 9) и напряжение  стабилизации  (два  младших  разряда  числа) - табл.1.

В электронных приборах используются стабилитроны различных марок, среди которых можно выделить диоды марок Д808, Д814, Д815 (старая маркировка обозначений), КС133А, КС147А, КС162А, КС168А, КС182А, КС210А, КС468А, КС633, КС650 и др.

Таблица 1

Мощность диода	Напряжение cтабилизации, В	3-ий, 4-ый элементы обозначения
Маломощные	1 - 9,9	101 - 199
	10 - 99	201 - 299
	100 - 199	301 - 399
Средней мощности	1 - 9,9	401 - 499
	10 – 99	501 - 599
	100 – 199	601 - 699
Большой мощности	1 - 9,9	701 - 799
	1- - 99	801 - 899
	100 – 199	901 - 999

Некоторые стабилитроны для большей температурной стабильности имеют два, включенных встречно последовательно р-n перехода (КС162А, КС182А, КС191А и др.), что дополнительно обеспечивает стабилизацию напряжения при произвольной полярности подключения диода. В блоках питания аппаратуры на основе стабилитронов создаются стабилизаторы напряжения. В параллельной схеме стабилизации напряжений (рис. 3) стабилизирующий диод включается параллельно нагрузке R_н через ограничительный резистор R₁.

Н а сопротивлении нагрузки R_н напряжение будет определяться напряжением стабилизации стабилитрона VD₁ При изменении сопротивления нагрузки R_н будет изменяться протекающий через сопротивление ток i_н, но изменения суммарного потребляемого от источника питания тока i не будет за счет пропорционального изменения тока, протекающего через стабилитрон i_VD1.

В результате этого на сопротивлении нагрузки падение напряжения будет оставаться постоянным и равным напряжению стабилизации U_ст.

Варикапами называются полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость электрической емкости перехода от значения обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Наиболее широко варикапы используются в качестве элементов электронной настройки колебательных контуров радиоприемных устройств (вместо конденсаторов переменной емкости) на частоту принимаемого сигнала (практически во всех современных телевизионных и радиовещательных приемниках).

Н а границе р-n перехода варикапа образуется двойной электронный слой, который можно рассматривать как две обкладки плоского конденсатора. Запорный слой перехода выполняет функцию диэлектрика конденсатора. В зависимости от обратного напряжения изменяется ширина запорного слоя, что эквивалентно изменению расстояния между обкладками плоского конденсатора. При этом изменяется емкость конденсатора - р-n перехода варикапа. Таким образом, изменяя обратное н апряжение на переходе варикапа можно электрическим путем изменять емкость перехода - электрически управляемого конденсатора.

Основной характеристикой варикапа является его вольт - фарадная характеристика - зависимость относительного значения емкости С/C₀ р-n перехода варикапа от обратного напряжения, которая для большинства варикапов имеет вид (рис. 4). Качество варикапа оценивается его добротностью Q_в (аналогично добротности конденсатора), равной отношению реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь.

В настоящее время промышленностью выпускаются варикапы, предназначенные для умножителей частоты марок КВ103, КВ106 и для цепей настройки колебательных контуров КВ104, КВ107, КВ109, КВ121, КВ122 и др. Варикапы имеют разную емкость: от 2 до 200 пФ и коэффициент перекрытия по емкости: от 2 до 6 и более раз.

Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых под действием светового потока образуются подвижные носители электрических зарядов, создающие дополнительный ток (фототок) через обратно смещенный р-n переход диода.

В качестве активного элемента в фотодиодах могут использоваться электрические переходы различных типов на основе германия, кремния и других полупроводников, в том числе и переходы металл - полупроводник. Конструктивно для прохождения светового потока в корпусе фотодиодов изготавливается специальное отверстие с фокусирующей линзой. Фотодиоды широко используются в устройствах автоматики, измерительных приборах и приборах широкого применения (видео- и аудиомагнитофонах и др).

Наряду с фотодиодами в различных приборах применяются также фототранзисторы, содержащие два р-n перехода. В отличие от фотодиодов фототранзисторы имеют более высокую чувствительность, за счет усиления фототока транзистором.

В настоящее время в различных приборах используются фотодиоды и фототранзисторы марок ФД1, ФД3, ФТ1, ФТ3 (старые обозначения) и др.

Светодиоды. В современной радиоэлектронной аппаратуре широкое применение получили светодиоды, являющиеся излучающими полупроводниковыми приборами и предназначенные для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения. Светодиоды используются в качестве излучателей в различных схемах индикации, отображения информации, в волоконно-оптических линиях связи.

В качестве материала для изготовления светодиодов используются полупроводниковые соединения: карбид кремния SiC, фосфат галлия GaP, арсенид галлия GaAs и др.

Спектр излучения светодиодов зависит от ширины запрещенной зоны используемого полупроводникового материала, а также от рода и концентрации примесей. Для светодиодов из арсенида галлия максимум спектральной характеристики излучения лежит в инфракрасной области с длиной волны   0,9 мкм, из карбида кремния - в области желтого цвета (  0,6 мкм). Для направленного излучения светового потока в светодиодах р-n переход помещают перед собирающей линзой, обеспечивающей формирование  диаграммы направленности излучения с шириной порядка  20^о.

Промышленностью выпускаются светодиоды в виде различных по конструкции одиночных светодиодных излучателей красного, зеленого, желтого и синего цвета (например, светодиоды красного цвета: АЛ102Б; АЛ307А; АЛ310А, зеленого цвета: АЛ307Г; желтого цвета: КЛ101А), а также в виде знаковых индикаторов, представляющих собой несколько объединенных определенным образом и расположенных в одном корпусе групп светодиодов (например, цифровые светодиодные индикаторы КЛ104А желтого цвета, АЛС324А - красного цвета и др.). Для устройств автоматики и систем телеуправления выпускаются светодиоды инфракрасного диапазона излучения марок АЛ106, АЛ107 и др.

Диоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением. К полупроводниковым диодам с отрицательным дифференциальным сопротивлением относятся диоды, ВАХ которых содержит участок, отличающийся уменьшением значения тока при увеличении напряжения (рис. 5а), или наоборот падения напряжения при увеличении тока (рис. 5б).

Первые - это диоды управляемые напряжением, т.к. у них ток является однозначной функцией напряжения, обратная же зависимость напряжения от тока U = f(I) - неоднозначна. Такие диоды называют диодами с N - образной ВАХ, или диодами N - типа.

Вторые - это диоды, управляемые током. Для них напряжение по ВАХ однозначно определяется значением тока, а зависимость тока от напряжения - неоднозначна. Эти диоды называют диодами с S - образной характеристикой, или диодами S - типа.

На участках 1-2 диодов с N и S - образными характеристиками (рис. 5) дифференциальное сопротивление полупроводникового диода, равное отношению приращения напряжения du к приращению тока di имеет отрицательное значение: R_д = du/di < 0, т.к. положительному приращению напряжения (du > 0) (рис. 5а) соответствует отрицательное приращение тока (di < 0) и отрицательному приращению тока (di < 0) (рис. 5б) соответствует положительное приращение напряжения (du > 0).

Отрицательное дифференциальное сопротивление полупроводниковых диодов с N и S - ВАХ при сложении с сопротивлением потерь электрической цепи, в которую включается диод, увеличивает добротность системы, что используется в различных генераторных и переключающих схемах.

К числу приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением относят диоды с одним p-n переходом (туннельные диоды), диоды с двумя и более р-n переходами (динисторы, тиристоры, симисторы), а также диоды, принцип работы которых основан на объемных эффектах (диоды Ганна).

Туннельные и обращенные диоды. Туннельными диодами называются полупроводниковые диоды, в которых на основе туннельного эффекта в полупроводниках на ВАХ при прямом напряжении образуется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Под туннельным эффектом понимают образование в р-n переходе дополнительного канала (туннеля) для прохождения электрического тока.

Туннельные диоды являются диодами N - типа, и как правило представляют собой сплавные полупроводниковые диоды, выполненные на основе германия или арсенида галлия. Туннельные диоды выпускаются в основном для использования в схемах генераторов СВЧ. При включении туннельного диода в параллельный или последовательный контур его отрицательное дифференциальное сопротивление будет складываться с сопротивлением потерь колебательного контура, И если дифференциальное сопротивление туннельного диода по модулю будет равно или больше сопротивления потерь колебательного контура, то суммарное сопротивление потерь в контуре при включении туннельного диода будет равно или меньше нуля. В этом случае в колебательном контуре не будет рассеяния энергии, и колебательный процесс в контуре будет продолжаться бесконечное время, т.е. в контуре будут происходить незатухающие колебания напряжения и токов.

Обращенными называют диоды, физические явления в которых подобны физическим явлениям в туннельных диодах, и их часто рассматривают как варианты туннельных диодов. Название “обращенные” эти диоды получили от того, что в них обратная ветвь ВАХ используется в качестве прямой ветви обычного диода (отличается очень малым падением напряжения), а прямая ветвь – в качестве обратной ветви. В отличие от туннельных диодов у обращенных диодов участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ отсутствует, или очень слабо выражен.

^{В настоящее время в различной аппаратуре используются туннельные диоды марок: АИ101, АИ201, АИ301, АИ402, (ГИ103, 1И104 – обращенные диоды), ГИ304, ГИ403, ГИ405 и др. Для построения генераторов преобразователей сигналов СВЧ сантиметрового диапазона спутниковых антенн используются специальные генераторные диоды N - типа марок АА703 и др.}

Переключающие диоды. К переключающим полупроводниковым диодам относят полупроводниковые приборы с тремя и более р-п переходами, на ВАХ которых имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, предназначенные для работы в качестве коммутирующих (переключающих) элементов цепей. По аналогии работы во включенном состоянии с полупроводниковыми диодами (однонаправленной проводимости) и использованию в блоках питания переключающие полупроводниковые приборы часто называют переключающими диодами.

Переключающие диоды разделяют на тиристоры, проводящие ток в одном направлении во включенном состоянии, и симисторы - включаемые как в прямом так и обратном направлении при подаче сигнала на управляющий переход. В свою очередь тиристоры разделяются на диодные (неуправляемые) тиристоры - динисторы, имеющие два вывода (анод и катод), и триодные (управляемые) тиристоры (или просто тиристоры), имеющие три вывода (анод, катод и управляющий электрод).

Переключающие диоды имеют плоскостную конструкцию и выполняются методом сплавления и диффузии.

Динистор состоит из четырех областей полупроводников р и n - типа, составляющих структуру р-n-р-n. Между областями полупроводников создаются три р-n перехода. Отличие тиристора от динистора сводится к подключению к средней области р управляющего электрода.

Динистор работает следующим образом: при небольшом прямом напряжении, подаваемом между анодом и катодом (к аноду - положительный, а к катоду - отрицательный полюс) динистор закрыт и ток не пропускает. При увеличении прямого напряжения до напряжения включения динистора ток через динистор резко увеличивается при одновременном уменьшении падения напряжения на динисторе, что соответствует переходу динистора во включенное состояние, соответствующее работе обычного выпрямительного диода при приложении прямого напряжения. Для выключения динистора необходимо уменьшить протекающий через него ток до значения равного нулю.

Для включения тиристора (в отличие от динистора) при приложенном между анодом и катодом прямом напряжении в цепь управляющего электрода необходимо подать управляющий ток, который должен протекать только во время включения тиристора. Выключение тиристора осуществляется аналогично динистору при уменьшении протекающего через него тока до нуля.

В отличие от тиристора симисторы включаются при подаче на управляющий электрод управляющего тока как при прямом, так и при обратном напряжении, приложенном между анодом и катодом. Это определяет использование симисторов в цепях переменного тока в качестве электронных коммутирующих изделий. Выключение симистора осуществляется аналогично тиристору при уменьшении пропускаемого через симистор тока до значения, меньшего тока включения (равного нулю).

Промышленностью выпускается большое многообразие переключающих диодов с напряжением включения от единиц вольт до нескольких киловольт и прямыми токами от десятков миллиампер до сотен ампер различных марок: КН102, КУ101, КУ103, КУ112, КУ201, КУ202, КУ208, КУ210 и др.

Наиболее широко тиристоры и симисторы используются в регуляторах мощности переменного тока (например, светорегуляторах, регуляторах оборотов двигателей) и в стабилизированных блоках питания современных электронных приборов.

В лабораторной работе необходимо провести съем ВАХ, заданных вариантом работы диодов, что можно сделать, используя электрическую цепь (рис. 6).

З десь VD₁ является исследуемым диодом, который подключается таким образом, чтобы к нему прикладывалось прямое, или обратное напряжение (в зависимости от съема прямой или обратной ветви ВАХ). С помощью микроамперметра РА₁ со шкалой 100 мкА можно регистрировать ток i_VD1, протекающий через диод в диапазоне 0  20 мА (при подключенном резисторе шунта R₃ = 5 Ом), или в диапазоне 0  100 мкА (при отключенном резисторе шунта R₃). Переменный резистор R₂ предназначен для изменения прикладываемое к диоду напряжения u_VD1.

Для исследования работы переключающего диода в лабораторной работе используется электрическая цепь (рис. 7).

П ереключающий диод VD₁ - тиристор КУ202А или симистор КУ208Г (в зависимости от варианта задания) включен последовательно с динамиком ВА₁, ограничительным резистором R₄ и выходом генератора сигнала. При закрытом тиристоре (симисторе) выходное напряжение генератора на динамик и резистор R₄ не проходит и динамик не вырабатывает звуковой сигнал, а на экране осциллографа не регистрируется переменное напряжение. Тиристор (симистор) будет закрыт, если в цепи его управляющего входа не протекает ток включения (при нижнем положении ползуна регулятора переменного резистора R₂).

Если изменить положение ползуна переменного резистора R₂, то в цепи управляющего электрода тиристора потечет ток, при определенном значении которого (определяется с помощью миллиамперметра РА₁ со шкалой полного отклонения стрелки 20 мА) тиристор откроется, и на динамик ВА₁ и резистор R₄ будет поступать выходное напряжение генератора сигнала. В результате этого с помощью динамика будет регистрироваться тональный сигнал, а на экране осциллографа - наблюдаться изображение временной диаграммы падения напряжения на резисторе R₄.