2.1.4 Свойства полупроводниковых диодов

2.1.3 Работа полупроводниковых диодов полностью определяется свойствами p-n-перехода. Полупроводниковые диоды это устройства, которые пропускают ток в одном направлении. Один вывод диода называется анодом А (p-область), а второй катодом К (n-область). Условное графическое обозначение диода приведено на рисунке 2.3а. При напряжении U_AK >0 диод работает в прямом направлении, при U_AK <0 диод заперт

а) б) в)

Рисунок 2.3 - Условные графические обозначения диодов: а) диод;

б) диод Шоттки; в) стабилитрон

Режим работы диода определяется его вольтамперной характеристикой I = f(U_AK). Типовая вольтамперная характеристика диода приведена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Типовая вольтамперная характеристика диода

Прямой ток диода I резко возрастает при малых положительных напряжениях U_AK. Однако этот ток не должен превышать максимально допустимого значения I_MAX, так как при I > I_MAX диод может выйти из строя из-за перегрева. Приближённо ход вольтамперной характеристики может быть описан значениями прямого напряжения U_D при токах порядка 0,1·I_MAX. Для германиевых диодов U_D находится в пределах от 0,2 до 0,4 В, а для кремниевых — от 0,5 до 0,8 В. Величина U_D определяется как прямое напряжение диода в точке перегиба прямой ветви вольтамперной характеристики.

При напряжении |U_AK|, превышающем допустимое обратное напряжение минус U_MAX, ток через диод возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. У обычных диодов в этой области возникает локальный перегрев, приводящий к тепловому пробою. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в пределах от 10 В до 10 кВ.

Прямая ветвь вольтамперной характеристики диода описывается экспоненциальной функцией:

,

где I_S — теоретический обратный ток;

U_T = kT/e₀ — термический потенциал;

k = 1,38·10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура в градусах Кельвина, К;

e₀ = 1,6·10^-19 Кулон — заряд электрона;

m — поправочный коэффициент, учитывающий отклонение вольтамперной характеристики от теоретической (m находится в пределах от 1 до 2).

Переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, а с задержкой на время рассасывания заряда, накопленного на p-n-переходе. Обычно время рассасывания t_S для маломощных диодов составляет от 10 до 100 нс, а для мощных несколько микросекунд. Период колебаний входного напряжения должен быть больше t_S, иначе диод потеряет свои выпрямительные свойства.

Для выпрямления высокочастотных сигналов применяются диоды Шоттки (рисунок 2.3б), время рассасывания заряда в которых составляет около 100 пс. Кроме того, диоды Шоттки имеют малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) падение прямого напряжения, равное приблизительно 0,3 В Работа диодов Шоттки основана на выпрямительных свойствах перехода металл-полупроводник.

Диоды, которые используются для стабилизации напряжения, называются стабилитронами (рисунок 2.3в). Обратная ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким возрастанием тока. Этот излом и соответствует напряжению стабилизации U_Z. Стабилитроны обеспечивают диапазон напряжение стабилизации от 3 до 200 В. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока ΔI, протекающего в обратном направлении вызывает малое изменение обратного напряжения ΔU, приложенного к стабилитрону. Следовательно стабилизация напряжения тем лучше, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление стабилитрона r_z = ΔU/ ΔI.

Для напряжений стабилизации U_Z ниже 5,7 В преобладает пробой Зенера с отрицательным температурным коэффициентом напряжения, а выше 5,7 — лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом. Температурный коэффициент напряжения стабилизации составляет примерно 0,5% на градус.