2.3. Полупроводниковый диод

Диод – электронный элемент с двумя электродами. Полупроводниковые диоды являются первыми элементами электроники с использованием полупроводников, первые образцы подобных диодов появились на рубеже 20-х и 30-х годов предыдущего столетия.

Внутренняя структура полупроводникового диода представляет собой электронно-дырочный переход. Области полупроводника подключены к электродам, один из которых носит название «анод», а другой – «катод». В электрических схемах анод обозначают треугольником, а катод – черточкой, перпендикулярной к подводящим проводам (рис. 2.2. ). В электронике полупроводниковые диоды применяются чаще всего как элементы с односторон-

Рис. 2.2.

ней проводимостью. Реже используют нелинейную зависимость их сопротивления от приложенного между анодом и катодом напряжения.

Особые случаи представляют собой стабилитроны и варикапы – с точки зрения физических процессов эти элементы относятся к диодам (и даже в справочной литературе размещаются вместе с остальными диодами). С другой стороны, стабилитроны и варикапы в схемах обозначают иначе, нежели собственно диоды.

На рис. 2.3,а изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода – зависимость протекающего через диод тока от приложенного напряжения.

Рис.2.3

При приложении к аноду положительного напряжения U_ак относительно катода электронно-дырочный переход внутри диода включен в прямом направлении, и через него течет ток основных носителей I_а . В этом случае о диоде говорят, что он открыт.

Соотношение тока и напряжения для открытого диода приблизительно описывает формула I_а = k∙ (U_ак)^3/2. Значение коэффициента k позволяет учитывать особенности диодов различных типов и марок. Иногда зависимость тока от напряжения аппроксимируют логарифмической формулой (см. п.п. 6.8 – 6.9). При применении обеих аппроксимаций очевидно, что сопротивление открытого диода R_д = ∆U_ак/∆I_а непостоянно. График зависимости R_д от приложенного к диоду напряжения приведен на рис. 2.3,б.

При приложении к аноду отрицательного напряжения по отношению к катоду электронно-дырочный переход внутри диода закрывается, а включение диода называют обратным. Через полупроводниковый диод течет ток неосновных носителей («обратный» ток I_о). Сопротивление диода значительно, но не бесконечно из-за наличия этого тока. При очень больших запирающих напряжениях U_пр возможен пробой диода – электроны форсируют электронно-дырочный переход, сильно разгоняясь при получении энергии от электрического поля, приобретают большую кинетическую энергию. Если эта энергия оказывается достаточной, чтобы при столкновении электрона с атомами кристаллической решетки полупроводника выбить с орбит дополнительные электроны, то возникает лавина свободных электронов и ток через переход резко увеличивается. В обычном диоде увеличение тока ведет к разогреву полупроводникового материала, его оплавлению – диод гибнет.

Однако существуют диоды, для которых пробой – рабочее состояние. Такие диоды называют стабилитронами. Стабилитрон включают в схему так, чтобы он практически никогда не был открыт. На рис. 2.4 изображена схема защиты от перенапряжения на основе стабилитрона. Защищаемый объект обозначен как «нагрузка» R_н. Стабилитрон VD включен параллельно ему, а последовательно с нагрузкой и стабилитроном включено «гасящее» сопротивление R_г.

Рис.2.4

Схема обеспечивает непревышение на нагрузке напряжения пробоя стабилитрона U_пр. Если входное напряжение U_вх меньше этого значения, то стабилитрон закрыт, пробоя нет, через него течет маленький ток и на гасящем сопротивлении почти не падает напряжение. Это значит, что напряжение на нагрузке равно входному. При U_вх > U_пр в стабилитроне возникает обратимый пробой, напряжение на нем, а значит и на нагрузке становиться равным U_пр, мощный ток пробоя I_пр создает на гасящем сопротивлении падение напряжения, равное ∆U_г = R_г∙I_пр = U_вх −U_пр.

Третий вид полупроводниковых диодов – варикапы. Название элемента восходит к латинскому «вариативный» – изменчивый и к немецкому названию емкости «Die Kapazität». «Прозрачный намек» на функцию элемента содержится и в его условном обозначении в схемах – гибриде диода и конденсатора.

Рис.2.5.

Варикап – это переменная емкость, значение которой управляется приложенным к элементу напряжением. Варикап, как диод и стабилитрон, содержит в своем составе электронно-дырочный переход, при этом изменяющаяся емкость элемента есть не что иное, как барьерная емкость этого перехода. Разумеется, сопротивление перехода при этом должно быть значительным, дабы не шунтировать емкость – поэтому при использовании варикапов следует подавать на анод элемента отрицательное напряжение относительно катода. Емкости варикапов невелики, достигают десятков пикофарад. Зависимость емкости варикапа от модуля приложенного к нему напряжения называется вольт-фарадной характеристикой (ВФХ). Пример ВФХ приведен на рис. 2.5.

Как правило, ВФХ удается достаточно точно описать гиперболической зависимостью.