2.2. Полупроводниковые диоды

Как отмечалось выше, полупроводниковый диод( ПД) – это полупроводниковый прибор с p-n-переходом, имеющий 2 вывода. Для них характерны низкая стоимость, высокая надежность и быстродействие, малые массо-габаритные показатели.

ПД можно классифицировать по назначению, конструктивно-технологическим признакам, виду исходного полупроводника. По назначению ПД делятся на выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные(ВЧ и СВЧ-диоды) , импульсные, туннельные, варикапы, полупроводниковые стабилитроны и другие; по конструктивно-технологическим – на кремниевые , германиевые, селеновые, арсенидо-галлиевы, карбидо-кермниевые и др.

Выпрямительные диоды (ВД). ВД – это диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Они работают в диапазоне частот от 50 Гц до 100 кГц для ограничения паразитных выбросов напряжения в качестве элементов электрической развязки и т.д.

В качестве ВД широко используются кремниевые плоскостные диоды. Они имеют значительно меньше обратные тока и большие допустимые обратные напряжения. Недостатком кремниевых диодов является большее прямое падение напряжения, чем на германиевых .

В основе работы ВД лежит свойство односторонней электрической проводимости p-n-перехода. На рис. 5 показано условное графическое обозначение ВД. Электрод, выведенный из эмиттера (p-области), называется анодом , а электрод, выведенный из базы ( n-области), - катодом.

На рис. 5б и 5в показаны соответственно идеальная и реальная вольтамперная характеристики ВД. Как видно, ВД хорошо проводит ток при прямом включении и практически не проводит ток при обратном включении.

Рабочим участком ВАХ ВД является линейной участок прямой ветви ( участком 2-3, рис. 5в ). Наклон характеристики на этом участке определятся сопротивлением базовой области r_б . На практике прямую ветвь ВАХ ВД аппроксимируют ломаной линией ( участки 0-1 , 1-3, рис. 5в). Видно, что при этом I_пр = ( U_пр –F_пр)/r_б , когда U_пр > E_пр и I_пр =0, когда U_пр ≤ E_пр.

Здесь E_пр≈ (0,5 -0,7) φ_0, где φ₀ –высота потенциального барьера (0,5 ÷ 0,9 В); r_б = ctgd.

ВАХ ВД зависит от температуры окружающей среды. С ее увеличением возрастает прямой и обратный токи диода. Особенно сильно изменяется обратный ток, который обусловлен неосновными носителями заряда. Прямой ток в основном зависит от концентрации примеси в полупроводнике..

Основными параметрами ВД явлются:

I_{пр max} – максимально допустимый прямой ток.

U_пр – прямое напряжение на диоде , обычно прямое напряжение указывается при I_{пр max}.

U_{обр max} –максимально допустимое обратное напряжение, оно значительно меньше пробивного;

I_обр – обратный ток при заданном обратном напряжении; диапазон температур.

В зависимости от значения I_{пр max} ВД делят на диоды малой мощности (прямой ток до 0,3 А ) , средней мощности ( прямой ток от 0,3 до 10 А) и большой мощности (прямой ток более 10 А). Если при применении ВД v_{обр max} одного диода оказывается недостаточным, можно включить последовательно несколько диодов; если недостаточен прямой ток – несколько ВД включают параллельно. В маломощных схемах в этом случае для устранении неравномерности распределения обратных напряжений и прямых токов диоды необходимо шунтировать сопротивлениями R_ш и включать дополнительные сопротивления R_д соответственно. Их значения должны удовлетворять соотношениям: R_ш < r_обр» r_пр, где r_обр, r_пр – обратное и прямое сопротивление диода. Значение R_щ составляют десятки-сотни килоомов, R_a-сотни Ом. Подробные сведения о ВД можно найти [1, 2 , 3, 4].

Полупроводниковые стабилитроны. Полупроводниковым стабилитроном (ПС) называют полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Рабочим участком ВАХ ПС является область пробоя p-n-перехода при его обратном включении ( участок 1-2, рис.6а). При ограничении обратного тока стабилитрон может работать в режиме пробоя в течение десятков-сотен тысяч часо.

Основными параметрами ПС являются I_{cт min} –минимальный ток стабилитрона ( соответствует началу устойчивого электрического пробоя ); I_{ст max} –максимальный ток стабилитрона ( лимитируется из условия предотвращения теплового пробоя ) ; v_{ст ном} – напряжение стабилитрона; r_ст- дифференцирование сопротивление стабилитрона( показывает наклон участка 1-2 на рис.6а относительно оси ординат и характеризует качество стабилизации напряжения); α_ст-температурный коэффициент напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус:

α_ст = * * 100% при I_ст = const.

Значения напряжения стабилизации в ПС ( от 3 до 400 В ) зависят от исходного полупроводникового материала и технологии и его обработки. При изготовлении ПС используется кремний, ибо в них меньше вероятность теплового пробоя за счет протекания обратного тока и саморазогрева p-n-перехода. У ПС с v_ст=3…5 В возникает туннельный пробой, так как используется никоомный материал. У стабилитронов с v_ст >7 В возникает лавинный электрический пробой (используется более высокомный материал ). В диапазоне v_ст=5…7 В пробой характеризуется взаимодействием туннельного и лавинного механизмов.

На рис. 6б показано условное обозначение ПС , а на рис. 6в – схема включения. Стабилитроны используются для стабилизации напряжения, а так же для фиксации уровней напряжения в различных схемах(отсюда происходит второе название стабилитронов опорные диоды).

Низковольтные напряжения в переделах 0,3…1 В можно стабилизировать, используя прямые ветви ВАХ специальных кремниевых диодов-стабисторов.

С целью компенсации температурной зависимости напряжения стабилизации последовательно со стабилитроном иногда включат в прямом направлении диод или стабилитрон (Ст2 на рис. 6в) или используют двуханодный стабилитрон ( двухсторонний стабилитрон условное обозначение которого показано на рис. 6г. Подробные сведения о ПС можно найти в [1, 2, 3].

Схемы включения для снятия характеристик ВД и ПС показаны на рис. 7(а прямое включение, б –обратное включение) . Исследование динамики ВД проводится по схеме рис.8.