2.4 П/п диоды. Типы, назначение, характеристики

Полупроводниковый диод, по существу, представляет собой электронно-дырочный переход. ВАХ диода достаточно точно соответствует выражению:

I = I₀( -1),

где I₀ - ток насыщения, q = 1,6·10^-19 Кл - заряд электрона, Т - абсолютная температура, U - внешне приложенное напряжение, к = 1,38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Р ис.4.1. Вольтамперная характеристика диода.

При комнатной температуре величина U_т=кТ/q=25 мВ (представляет собой термодинамический потенциал и зависит только от температуры), следовательно, при отрицательном (т.е. обратном) приложенном напряжении от десятых долей вольта и выше слагаемым е^{(-U / 0.025)} можно пренебречь по сравнению с единицей и ток оказывается равным I = I₀ не зависящим от напряжения. При положительном (т.е. прямом) приложенном напряжении в десятые доли вольта и выше можно пренебречь единицей по сравнению со слагаемым e^{( U / 0.025)} и, следовательно, ВАХ оказывается близкой к экспоненте.

ВАХ реального диода совпадает с кривой, соответствующей выражению до значений обратного напряжения, близких к U_обр.max. При дальнейшем увеличении U_обр наступает пробой диода, при котором обратный ток резко возрастает.

Различают два вида пробоя:

а) электрический (обратимый); б) тепловой (не обратимый), выводящий ППП из строя. Электрический пробой может быть двух видов: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для р-n переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. (U_обр=(10…100) В).

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью 10⁵ В/см, действующем в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей (U_пр=1В).

При обратном напряжении p-n переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n- области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от носителей заряда). Эту емкость называют барьерной, ее значение зависит от площади p-n перехода и может составлять от единиц до сотен пФ.

При прямом напряжении емкость p-n перехода определяется так называемой диффузионной емкостью, обусловленной неосновными носителями, которые диффундируют через пониженный потенциальный барьер и накапливаются, не успевая рекомбинировать. Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением диода.

2.4.1. Классификация диодов.

1) По конструктивно- технологическим признакам диоды подразделяют:

а) точечные и плоскостные; б) сплавные и диффузионные.

2) По функциональному назначению и принципу образования p-n перехода:

а) выпрямительные; б) стабилитроны; в) варикапы; г) туннельные; д) импульсные; е) диоды Шотки; ж) фотодиоды; з) светодиоды, и т.д.

3) По мощности:

а) диоды малой мощности (прямой дополнительный ток до 0.3 А); б) средней мощности (от 0.3 А до 10 А); в) большой мощности (свыше 10 А).

В ыпрямительные диоды.

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называются выпрямительными. Для выпрямления низкочастотных сигналов применяются плоскостные низкочастотные выпрямительные диоды.

Импульсные диоды.

Диоды работают в импульсном режиме при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды.

Диоды Шотки.

П ринцип действия основан на использовании выпрямительного перехода между металлом и полупроводником. Так как в металлической базе диода не происходит накопления и рассасывания неосновных носителей, то диоды Шотки обладают большим быстродействием и могут работать на частотах до 20ГГц.

Стабилитроны.

С табилитроны - полупроводниковые приборы, имеющие на своей ВАХ при обратном включении в области электрического пробоя участок, на котором напряжение слабо зависит от изменения тока. Может быть использован для стабилизации напряжения. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

Рис.4.5. Вольтамперная характеристика стабилитрона.

Стабисторы.

ПП диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабилизаторов используется не обратное, а прямое напряжение, значение которого в среднем не более 0.7 В. Особенность стабисторов - отрицательный ТКН. Поэтому их применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН.

Варикапы.

В арикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые изменением обратного напряжения. (Используется барьерная емкость p-n перехода.) Применяются главным образом для настройки колебательных контуров.

Туннельные диоды.

В следствие возникновения контактной разности потенциалов в p-n переходе границы всех энергетических зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера (в ЭВ). В обычных ПП диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины, т.к. они обычно изготавливаются из полупроводников с очень высокой концентрацией примесей.

О сновные параметры туннельных диодов:ток максимума Imax; ток минимума I_min (или соотношение I_max/I_min);напряжение максимума U1; напряжение минимума U2; наибольшее напряжение U3, соответствующее току Imax на втором восходящем участке ВАХ (участок БВ). Разность U = U3 – U1 называется напряжением переключения или напряжением скачка. Токи в современных диодах составляют единицы миллиампер. Напряжения – десятые доли вольта. На рисунке изображена ВАХ туннельного диода.

О бращенные диоды.

Принцип действия тоже основан на туннельном эффекте, причем высота потенциального барьера при отсутствии внешнего напряжения равна ширине запрещенной зоны, в результате чего при прямом напряжении обращенный диод работает как обычный выпрямительный диод, а при обратном - как туннельный. Поэтому обращенный диод при обратном включении обладает лучшей проводимостью, чем при прямом. Обращенные диоды могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, чем обычные диоды.