Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод представляет собой обычный p-n-переход. На Рис. 1.15 приведены основные характеристики ди­ода и символ, которым диод обозначается в схемах.

В общих чертах все диоды подразделяются на два класса:

выпрямительные и импульсные. Выпрямительные диоды при­меняются в источниках питания для преобразования переменно­го тока в постоянный. Выпрямительные диоды могут проводить большие токи, должны выдерживать большие пиковые обратные напряжения и в основном работают при низких частотах (обыч­но 50 или 60 Гц).

Импульсные диоды используют в качестве логических эле­ментов или как демодуляторы в высокочастотных схемах. На­пряжения и токи в таких диодах малы, но их быстродействие должно быть очень высоким.

Эти различия отражены в конструкции диодов. Выпрями­тельный диод должен рассеивать значительное количество теп­ла, а поглощенная энергия определяется средним значением прямого тока и падением прямого напряжения. Обычно выпря­мительные диоды имеют относительно большие размеры и зача­стую снабжены специальными приспособлениями для крепле­ния к теплоотводам.

Быстродействие диодов зависит от такого фактора, как пара­зитная (конструктивная) емкость, поэтому импульсные диоды отличаются очень небольшими размерами.

Выпрямительные и импульсные диоды изготавливают из германия или кремния. Германиевые диоды характеризуются малым прямым напряжением отпирания (около 0.2 В), но темпе­ратурный предел работы перехода составляет 75 °С. Напряжение отпирания кремниевого диода составляет около 1 В, но такие ди­оды могут работать при температуре вплоть до 200°С. Обратный ток кремниевого диода значительно меньше чем германиевого. В основном кремниевые диоды чаще используют в выпрями­тельных схемах и логических устройствах, а германиевые — в высокочастотных схемах.

Стабилитрон

В обратносмещенном p-n-переходе существует ток опреде­ленной величины. Обычно этот ток пренебрежимо мал, но с рос­том обратного напряжения можно достичь напряжения пробоя, при котором обратный ток достаточно большой. Пробой может быть вызван двумя различными механизмами, каждый из кото­рых включает в себя совокупность физических процессов в по­лупроводнике:

1. Лавинный эффект. Неосновные носители с большой скоро­стью проникают через обедненный слой и выбивают валент­ные электроны. Лавинный эффект является нарастающим и вызывает стремительное увеличение тока.

2. Эффект Зенера. Диод намеренно изготавливают с узким обедненным слоем. Таким образом, приложенное напряже­ние вызывает электрическое поле большой напряженности в обедненном слое, которое достаточно для того, чтобы разру­шить ковалентные пары.

Э ти эффекты возникают в обычных диодах при напряжени­ях, значительно превышающих номинально допустимые обрат­ные напряжения. Однако существуют конструкции, в которых пробой этих двух типов происходит при небольших предсказуе­мых значениях напряжения. Вне зависимости от механизма про­боя такие диоды называют стабилитронами.

При пробое важно, чтобы ток был ограничен. Обычно ограничение реализуют при помощи последовательно включен­ного резистора, как показано на Рис. 1.16а. Наклон вольтампер­ной характеристики при пробое очень крутой (Рис. 1.16б), а вы­ходное сопротивление схемы, показанной на Рис. 1.16а, состав­ляет несколько Ом.

Ток, протекающий через стабилитрон, вызывает рассеяние мощности в виде тепла, рассеиваемая мощность определяется формулой:

Выпускаемые стабилитроны могут рассеивать мощность до 5 Вт.

Характеристики стабилитронов позволяют использовать их в качестве удобных источников опорного напряжения источни­ков питания и других схем. Однако стоит заметить, что механиз­мы пробоя приводят к возникновению «шумового» напряжения, поэтому при использовании стабилитронов в усилителях могут возникнуть некоторые проблемы.