1.8. Емкости p-n-перехода

Барьерная (или зарядная) емкость аналогична емкости плоского конденсатора. При изменении обратного напряжения на p-n-переходе, как было показано ранее (см. рис. 1.6, в), изменяется его ширина, и следовательно, объемные заряды ионов доноров и акцепторов, которые и заряжают эту емкость.

Величина зарядной емкости зависит от площади p-n-перехода и может составлять десятки и сотни пикофарад. Зарядная емкость уменьшается при увеличении ширины p-n-перехода т. е. при увеличении обратного напряжения. Это свойство p-n-перехода используется в варикапах, применяемых в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением.

Диффузионная емкость заряжается электронами, которые входят в базу для компенсации объемного заряда инжектированных дырок при прямом смещении p-n-перехода.

Величина диффузионной емкости зависит от протекающего через p-n-переход прямого тока и может составлять сотни и тысячи пикофарад, т. е. она существенно больше зарядной емкости.

Таким образом, при прямых напряжениях смещения емкость p-n-перехода определяется, в основном, диффузионной емкостью, а при обратных напряжениях, когда диффузионная емкость равна нулю, – зарядной емкостью.

1.9. Контактные явления на границе раздела полупроводника и металла

Если работа выхода (или потенциал выхода) электронов из металла меньше, чем у полупроводника, то происходит преимущественный переход электронов из металла в полупроводник, в приграничном слое которого возникает обогащённый электронами слой [4]. Такая граница раздела проводит ток в обоих направлениях и используется для конструирования выводов полупроводниковых приборов. Если потенциал выхода электронов у металла больше, чем у полупроводника, то у границы раздела с полупроводником в металле образуется слой с отрицательным зарядом, а в полупроводнике – обеднённый слой с положительным зарядом. Такая граница раздела обладает односторонней проводимостью. Электрические переходы такого типа называются барьерами Шоттки, по имени исследовавшего их учёного.

2. Полупроводниковые диоды

2.1. Выпрямительные диоды

По функциональному назначению различают диоды выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие и ряд других [13].

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и используют свойство p-n-перехода хорошо проводить ток в одном направлении и плохо – в противоположном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами диода называются прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями. Различают низкочастотные и высокочастотные выпрямительные диоды. Первые применяются в преобразовательных устройствах энергетической электроники промышленной частоты (до 100 Гц), вторые – для преобразования радиосигналов (до 100 МГц).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

Iпр – постоянный прямой ток при постоянном прямом напряжении Uпр;

Iоб. – постоянный обратный ток при постоянном обратном напряже нии Uобр;

Uобр. max – максимально допустимое постоянное обратное напряжение;Iпр. max – максимально допустимый средний прямой ток;

Uпор – пороговое напряжение – напряжение отпирания диода.

На рис. 2.1 приведены условное обозначение выпрямительного диода и его типовая вольт-амперная характеристика, на которой обозначены основные параметры. Прямой ток и напряжение при положительных значениях направлены от анода к катоду.

В качестве дополнительных употребляются параметры:

Uпроб – постоянное напряжение разрушающего электрического пробоя;

Uпо. – постоянное пороговое напряжение проводимости;

Tмах – максимально допустимая температура окружающей среды (для германиевых до 70 ⁰С, кремниевых – 150 ⁰С).

Rп. и Rобр – сопротивления постоянному прямому и обратному токам.

Электрические параметры некоторых типов выпрямительных диодов малой, средней и большой мощности [11] приведены в табл. 2.1.

Рис. 2.1. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода

Например, у маломощного диода КД103А в соответствии с дан-

ными табл. 2.1:

Rпр = Uпр / Iпр = 1В / 0,05А = 20 Ом;

Rобр = Uобр / Iобр = 75В / 0,05 мА = 1,5 МОм.

Полученные значения прямого и обратного сопротивлений диода красноречиво свидетельствуют о том, что полупроводниковые диоды обладают практически односторонней проводимостью.

Кроме одиночных диодов выпускаются их сборки, представляющие собой конструктивно законченные модули с различным числом диодов, соединённых по особым схемам, для применения в различных типах выпрямительных устройств.

Таблица 2.1

Электрические параметры некоторых типов выпрямительных

диодов при 25⁰С

Тип диода	U обр. max, В	Iпр. ср. max, А	Iпр., А	Iобр., мA	Примечание
КД103А	75	9,1	0,05	0,05	Диод ММ
КД210Б	800	10	10	1,5	Диод ср. М
5SDA9Р23	2000	850	1800	–	Диод БМ

2.2. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды

Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды применяются для детектирования (выпрямления токов высокой частоты), модуляции, преобразования частоты, а также в маломощных выпрямителях и измерительных схемах, т. е. по назначению они являются универсальными.

В высокочастотных (ВЧ) диодах используются точечные и микросплавные p-n-переходы. Так как площадь p-n-перехода у этих диодов мала, то ВЧ диоды имеют значительно меньшую максимально допустимую мощность по сравнению с плоскостными диодами, допускают меньшие выпрямленные токи и обратные напряжения. Обратное напряжение ВЧ диодов не превышает 200 В, а прямой ток – 100 мА.

Поскольку ВЧ диоды по своему назначению являются универсальными, то в справочниках на них приводятся такие же электрические параметры, как и на выпрямительные диоды. Дополнительно приводятся параметры, характеризующие их частотные свойства: Сд – ёмкость p-n-перехода; rд – дифференциальное сопротивление, определяемое на рабочем участке прямой ветви вольт-амперной характеристики; fmax – максимальная рабочая частота.

Сверхвысокочастотные диоды – точечные диоды, изготовленные на основе низкоомных полупроводников, имеющих малое время жизни носителей. Радиус точечного контакта p-n-перехода не превышает 2…3 микрона, обратное пробивное напряжение составляет величину порядка 3…5 В, конструктивное исполнение коаксиальное или волноводное.