312

Глава 6. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды широко применяются в устройствах радиоэлектронной автоматики и вычислительной техники, энергетической электронике и других областях техники.

Условно диоды можно классифицировать по ряду признаков, важнейшими из которых являются:

- назначение и применение;

- механизм работы;

- технология изготовления и конструкция;

- тип полупроводникового материала.

По назначению и применению можно выделить следующие типы диодов:

- выпрямительные диоды;

- импульсные диоды;

- СВЧ-диоды (смесительные, детекторные, коммутационные, переключательные, генераторные, усилительные);

- стабилитроны и стабисторы;

- варикапы и параметрические диоды;

- люминесцентные диоды (светодиоды и лазеры на р-n перехода);

- фотодиоды, магнитодиоды, тензодиоды.

По механизмам работы:

- инжекционные на основе р-n перехода;

- надбарьерная эмиссия основных носителей заряда (барьер Шоттки, гетеропереходы);

- ударная ионизация (стабилитроны, лавинно-пролетные диоды и др.)

- туннельный эффект или автоэлектронная эмиссия (туннельный диод, обращенный диод);

- эффект междолинного перехода электронов в сильном электрическом поле (диод Ганна);

- прямозонная и примесная фотонная рекомбинация (светодиоды, лазеры).

По технологии и конструкции:

- точечные и микросплавные (СВЧ и туннельные диоды);

- контакт металл-полупроводник (диоды Шоттки);

- плоскостные (диффузионные, сплавные, ионная имплантация);

- меза-диоды;

- планарные, эпитаксиально-планарные диоды.

По материалам:

- кремниевые;

- германиевые;

- арсенид галлиевые и тройные соединения на основе GaAlAs, GaPAs и др.

Полупроводниковые диоды характеризуются тремя системами параметров: функциональные характеристики, предельные параметры и характеристики надежности.

Функциональные характеристики определяют назначение диодов и область их применения. Система предельно допустимых значений параметров определяет область безопасной работы, т.е. условия эксплуатации. К параметрам надежности относятся вероятность безотказной работы, интенсивность отказа, гамма-процентная наработка до отказа. Кроме того, в эту систему входят показатели долговечности и сохраняемости.

6.1. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Частотный диапазон их работы невелик. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница рабочих частот – так называемая предельная частота выпрямительных диодов – как правило, не превышает 500Гц – 20кГц.

Особое место в силовой (энергетической) полупроводниковой электронике занимают силовые диоды (с предельным средним и предельным действующим током 10А и более). Силовые полупроводниковые диоды имеют несколько отличающуюся систему классификации и систему обозначений. По нагрузочной способности в области пробоя силовые диоды подразделяются на выпрямительные, лавинные выпрямительные с контролируемым пробоем.

Для силовых выпрямительных диодов работа в области пробоя недопустима. В соответствии с действующими стандартами (техническими условиями) к этим диодам даже кратковременно не разрешается прикладывать обратные напряжения, приводящие к лавинному пробою p-n переходов.

Лавинные выпрямительные диоды могут в течение ограниченного интервала времени рассеивать импульс приложенной энергии в области пробоя при работе на обратной ВАХ, т.е работать в качестве ограничителя напряжения.

Лавинные выпрямительные диоды с контролируемым пробоем предназначены для работы в установившемся режиме в области пробоя, т.е. могут работать в качестве стабилитронов, в отдельных случаях – в качестве ограничителей напряжения.

Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры: максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_обр.max – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без опасности нарушения его работоспособности (обычно U_обр.max ≈ 0,5 0,8 U_проб , где U_проб – напряжение пробоя); максимально допустимый постоянный прямой ток I_{пр max} ; постоянное прямое напряжение U_пр при заданном прямом токе I_пр = I_пр.max ; максимально допустимый постоянный обратный ток I_обр.max – обратный ток утечки диода при приложении к нему напряжения U_обр.max ; частота без снижения режимов – верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.

По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы: диоды малой мощности (I_пр 0,3А), диоды средней мощности (0,3А < I_пр <10А) и мощные силовые диоды (I_пр 10А).

Иногда в паспорте диода указывают средний выпрямленный ток I_пр.ср , средний обратный ток I_обр.ср , а также импульсный прямой ток I_пр.и или его максимально допустимое значение.

В состав параметров диодов входит диапазон температур окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от – 60 до +125° С) и максимальная температура корпуса.

Подавляющее большинство кремниевых диодов имеет p⁺-n-n⁺ структуры, т.е. изготавливаются на основе высокоомного кремния n-типа электропроводности. Это связано с тем, что стабильность обратных токов p⁺-n переходов выше, чем у n⁺-p переходов. Подвижный заряд положительных ионов металла в защитных слоях на поверхности кремния дрейфует в область ОПЗ низколегированной p-базы и со временем образует канальные области.

В настоящее время производятся выпрямительные диоды на предельные токи до 1600 А, повторяющееся импульсное обратное напряжение от 100 до 4000 В (для отдельных типов диодов), лавинные выпрямительные диоды на предельные токи от 10 до 320 А и повторяющееся импульсные напряжения от 400 до 1500 В, быстродействующие диоды на предельные токи от 80 до 630 А и повторяющееся импульсное обратное напряжение от 500 до 1400 В. Тенденции одновременного увеличения предельного тока, напряжения, повышения быстродействия и снижения прямого напряжения препятствуют физические ограничения. Например, при повышении быстродействия диодов необходимо снижать время жизни неосновных носителей зарядов в базе диода путем введения примесей с глубокими уровнями, при этом, как было показано выше, растет прямое падение напряжения и уменьшается предельно допустимое обратное напряжение диода.

В низковольтных источниках питания в качестве выпрямительных диодов используются диоды Шоттки, имеющие значительно меньшее прямое падение напряжения, чем у кремниевых диодов на основе p-n перехода.