2072

зависит от типа примесей в ПП и лежит в пределах 1-100 пФ из-за большой диэлектрической проницаемости ПП ( Ge 16) и малой толщины за-

пирающего слоя. С ростом Uобр из-за увеличения ширины р–n-перехода

его емкость уменьшается (рис. 4.6). В выпрямительных диодах эта емкость вредна, однако специальные диоды – варикапы – используют как конденсаторы переменной емкости, регулируемой путем изменения обратного

5.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.1.Устройство, характеристики и параметры выпрямительных полупроводниковых диодов

Полупроводниковыми диодами (ПД) называют приборы, содержащие р–n-переход и два вывода. ПД находят широкое применение в различных электронных устройствах.

На рис. 5.1 показана структура ПД (а), условное графическое и позиционное обозначение ПД в электрических схемах (б).

Промышленность выпускает разные типы ПД: выпрямительные, детекторные, сверхвысокочастотные, туннельные диоды, стабилитроны, варикапы и другие.

По конструкции их делят на плоскостные и точечные. Плоскостные ПД имеют плоскостной переход (рис. 5.2, а), точечный переход создается около контакта острия металлической пружинки с ПП кристаллом n-типа

(рис. 5.2, б).

Точечные диоды имеют малую емкость р–n-перехода, поэтому могут работать в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, но они допускают малые прямые токи (до единиц миллиампер) и небольшие обратные на-

31

пряжения (до нескольких десятков вольт). Поэтому их применяют в маломощных электронных устройствах промышленной электроники, радиотехники, вычислительной техники и т.д.

VD1 p n

Рис. 5.2. Устройство плоскостного (а) и точечного (б) диодов

Плоскостные диоды находят широкое применение при выпрямлении переменного тока. Их прямые токи достигают нескольких сотен ампер, а обратные напряжения – нескольких сотен вольт.

Плоскостные диоды создаются по сплавной или диффузионной технологии.

При сплавной технологии, например, в пластинку германия n-типа вплавляется таблетка индия либо в кремниевую пластинку n-типа вплавляется таблетка алюминия. В процессе сплавления при высокой температуре трехвалентный металл проникает в пластинку n-типа, образуя тонкий слой p-типа. При диффузионной технологии также за основу принимается кристалл n-типа (кремний). В пластинку при высокой температуре осуществляют диффузию атомов акцепторной примеси (алюминия, бора). В результате образуется p-область. Омические контакты (анод и катод) создают напылением металла в вакууме. Пластинку вместе с контактами размещают в герметическом корпусе со стеклянным изолятором одного вывода прибора от корпуса.

32

Принцип действия ПД основан на свойстве односторонней проводимости р–n-перехода: при прямом напряжении его сопротивление мало, при обратном – велико. Это свойство диодов используют при построении выпрямителей – устройств, преобразующих переменное разнополярное напряжение в однополярное напряжение или ток (рис. 5.3).

VD1 uвх

Рис. 5.3. Схемы простейших выпрямителей:

а – однополупериодный выпрямитель; в – двухполупериодный выпрямитель; б и г – кривые входного и выходного напряжений выпрямителей (при построении кривых Uн t не учтено падение напряжения на открытых диодах)

Как видно из приведенных схем, при включении диодов в цепь между источником переменного напряжения и нагрузкой с сопротивлением Rн через нагрузку протекает выпрямительный ток. Открытым состоянием диода называют режим протекания через него прямого тока. Так как ВАХ диода нелинейна, определить ток открытого диода по заданному напряжению можно графическим способом, как для нелинейной цепи (рис. 5.4).

Формы ВАХ германиевого и кремниевого выпрямительных диодов одинаковой конструкции и мощности существенно различаются. У крем-

33

максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом, Pmax ;

максимально допустимый ток Inpmax;

диапазон рабочих температур.

Германиевые диоды работают в диапазоне от –60 до +80 С; кремниевые – от –60 до +160 С. Несмотря на то, что у кремниевых диодов выше падение напряжения в прямом направлении, в целом они имеют лучшие эксплуатационные характеристики, чем германиевые.

Промышленность выпускает большое количество типов плоскостных и точечных диодов, перекрывающих широкий диапазон по обратным напряжениям, прямым токам, быстродействию. Параметры, типы и назначение диодов приводятся в обширной справочной литературе.

5.2. Стабилитроны. Характеристики, параметры и применение

Стабилитроном называют ПП диод, в котором в области электрического пробоя ВАХ используется участок, где напряжение слабо зависит от обратного тока. Благодаря этому стабилитроны используют как стабилизаторы напряжения. В настоящее время выпускаются преимущественно кремниевые стабилитроны. ПП диоды, в которых используется участок ВАХ при прохождении прямого тока, где напряжение слабо зависит от величины этого тока, называются стабисторами. Обратная ветвь ВАХ стабилитрона имеет почти вертикальный участок, прямая ветвь такая же, как у обычного диода (рис. 5.5). Обозначение стабилитрона в схемах несколько отличается от обозначения диода.

Iпр

а

IСТmin

Iст Uст

IСТmax

б

Uст

Рис. 5.5. Условное графическое обозначение стабилитрона в схемах и его ВАХ

35

Примером использования стабилитронов и стабисторов могут служить параметрические стабилизаторы напряжения, которые иначе используют в качестве источников опорного напряжения (рис. 5.6).

зом, что во всем диапазоне изменения Uвх рабочая точка стабилитрона будет перемещаться по участку аб ВАХ, то напряжение на выходе устройства uн будет изменяться незначительно, т.е. произойдет стабилизация напряжения.

Качество стабилизации напряжения определяется углом наклона рабочего участка ВАХ (см. рис. 5.5) и зависимостью напряжения Uст от температуры t. Величина температурного коэффициента напряжения (ТКН) стабилитрона характеризует изменение Uст при нагревании на 1 С:

ТКН Uст t

Uст

и лежит в пределах от 10-2 до 10-3 К-1.

36

Знак ТКН и величина Uст зависят от свойств основного ПП. Стабилитроны с напряжением стабилизации Uст < 7 В изготавливают из кремния с большой концентрацией примесей (т.е. с малым удельным сопротивлением). В них p–n-переход имеет малую толщину, поэтому в режиме стабилизации напряжения имеет место полевой пробой. ТКН получается отрицательным.

При меньшей концентрации примесей получается большая толщина p–n-перехода, в связи с чем имеет место лавинный пробой, а ТКН получается положительным.

Следует отметить, что пробой перехода реального кремниевого стабилитрона всегда носит двойственный характер: полевой и лавинный. Об этом свидетельствует изменение знака температурного коэффициента напряжения пробоя (ТКН) (рис. 5.7), связанное с преобладанием в токе для высоких пробивных напряжений лавинной составляющей (положительный

Параметрами стабилитрона являются:

– напряжение стабилизации Uст , практически равное напряжению пробоя;

37

– минимальный ток стабилизации Iстmin – наименьший ток, при кото-

ром сохраняется устойчивое состояние пробоя;

– максимальный ток стабилизации Iстmax – ток, при котором мощ-

ность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает максимально допустимой (Iстmax = Pmax Ucm );

–дифференциальное сопротивление стабилитрона Rдиф Uст Iст ;

–статическое сопротивление Rcт Uст Iст , а также

–ТКН.

Из рис. 5.5 следует: чем меньше значение Rдиф , тем выше коэффици-

ент стабилизации напряжения.

Промышленность выпускает стабилитроны с напряжением стабилизации в пределах 3 – 2 000 В, с током стабилизации от 1 до 2 000 мА, с дифференциальным сопротивлением 0,5 – 500 Ом.

5.3.Импульсные диоды

5.3.1.Термины и физические процессы в импульсных диодах

При изменении крутизны фронтов импульсов обнаруживаются некоторые особенности. На рис. 5.8 показаны осциллограммы изменения тока диода при различных скоростях изменения напряжения. При резком изменении напряжения в первый момент наблюдается бросок обратного тока, который нередко в сотни и тысячи раз превышает ток насыщения.

Происхождение этого броска связано с тем, что при быстром переключении не все инжектированные дырки успевают рекомбинировать и под действием обратного напряжения вытягиваются в p-область. Постепенно избыток дырок в базе исчезает за счет рекомбинации их с электронами и вытекания в p-область, и обратный ток спадает до своего статического значения.

При быстром переключении диод ведет себя аналогично емкости, вызывая искажение формы переключаемых импульсов, то есть их амплитуд и фронтов.

Изменение обратного тока через диод может быть правильно описано введением в проводимость p–n-перехода помимо активной еще и реактивной составляющей емкостного характера. Поскольку повышенный обратный ток связан с инжекцией дырок и их диффузией в базе, эту составляю-

щую называют диффузионной емкостью.

Если уменьшать время жизни дырок, то процесс переключения диода завершается быстрее. Поэтому при изготовлении быстродействующих импульсных диодов принимают специальные меры для уменьшения времени

38

жизни неосновных носителей заряда в базе до значения от десятых долей микросекунды до десятых долей наносекунды.

U

uпр

t

0

uобр

i

Рис. 5.8. Осциллограммы изменения переходного обратного тока диода при различных скоростях переключения

Помимо диффузионной емкости, связанной с процессами диффузии дырок в базе, имеется также электростатическая емкость самого p–n-перехода, обусловленная изменением толщины слоя объемного заряда при изменении напряжения на p–n-переходе. Наличие этой зарядной емкости также увеличивает время переключения диода.

Основным путем уменьшения зарядной емкости является сокращение площади p–n-перехода. В современных импульсных диодах уменьшают площади выпрямляющих контактов до тысячных долей квадратного миллиметра, что позволяет получать зарядные емкости порядка 1 пФ и менее, тогда как у обычных плоскостных диодов она составляет десятки и сотни пикофарад.

Инжекция дырок приводит не только к вредным последствиям, проявляющимся при быстром переключении диода. В соответствии с выражени-

39

ем, определяющим удельную проводимость полупроводникового кристалла

q n n p p ,

(где n и p – коэффициенты подвижности электронов и дырок), введе-

ние дополнительной концентрации носителей заряда в базу увеличивает значение в области, прилегающей к p–n-переходу, вследствие чего уменьшается прямое сопротивление диода. Положительные проявления этого эффекта очень заметны при использовании полупроводниковых диодов для выпрямления больших токов.

Иное положение складывается при работе диода в импульсном режиме. Дело в том, что для проникновения дырок на значительное расстояние в глубь базы необходимо некоторое время, поэтому при работе с очень короткими импульсами прямого тока проводимость базы не успевает повыситься и прямое сопротивление диода оказывается большим, чем в статическом режиме. Для иллюстрации сказанного на рис. 5.9 приведены прямые ветви вольт-амперной характеристики кремниевого плоскостного диода, снятые в статическом и импульсном режимах.

Лишь при уменьшении толщины базы диода до десятков, а иногда и до

больше, чем у кремниевых.

40