6. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-п-переходом и двумя доводами.

В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды, сплавные диоды и диоды с диффузионной базой.

По конструктивным признакам их подразделяют на точечные, плоскостные, планарные, мезадиоды.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямитель­ные, универсальные, [импульсные, смесительные, детекторные, мо­дуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опор­ные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магни­тодиоды и т. д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-п-переходов. Низкоомную область диода называют эмиттером, а высокоомную — базой. Для создания переходов с вен­тильными свойствами используют р-п-, p-i-, «-/-переходы, а также переходы металл — полупроводник. Идеализированная вольт-ам­перная характеристика диода описывается выражением (1.19).

В реальных диодах прямая и обратная ветви вольт-амперной ха­рактеристики отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток h при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход вольт-амперной характеристики оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает прояв­ляться уже при токах, превышающих 2—10 мА.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную вольт-амперную характери­стику, сложно и нецелесообразно. Поэтому у реальных диодов в .ка­честве одного из основных параметров используют обратный ток /_обр который измеряют при определенном значении обратного напряжения.У германиевых диодов /_обр « 1_Т, у кремниевых /_обр » 1т. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для теплового тока справедлива зависимость

1т(Т) ~ 1_г(Т₀)&мг, (1.24)

где ДТ — Т — Т_о; 1т(Т_й) — тепловой ток при температуре Т_о; а — постоянный коэффициент (для германия «Ge « 0,09 К“* при Т < < 350 К, для кремния а.^ « 0,13 К^-1 при Т < 400 К).

С помощью выражения (1.24) можно ориентировочно определять обратный ток при разных температурах р-п-перехода у германиевых диодов. В кремниевых диодах в диапазоне рабочих температур доля теплового тока в полном обратном токе невелика: /_обр «10® 1г. У них обратный ток в основном определяется генерационно-реком­бинационными явлениями в р-п-переходе.

Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от тем­пературы окружающей среды можно пользоваться упрощенным вы­ражением

Ч /обр (Л«/_обр (То) 2^4Г/Г\ (1.25)

где Т* — приращение температуры, при котором обратный ток /обр(Л)) удваивается (Т* « 8-j-10°C для германия и Т* « 6 4-7° С для кремния).

В практике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в два раза, а кремниевых — в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10° С. При этом фактическое изменение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремние­вых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают. '

'Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода отклоняется от идеализированной из-за наличия токов рекомбинации в р-п-пере­ходе, падения напряжения на базе диода, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей заря­да и внутреннего поля в базе, возникающего при большом коэффи­циенте инжекции. С учетом падения напряжения на базе диода урав­нение прямой ветви вольт-амперной характеристики диода описы­вается уравнением

/ = /_г(е<^и-^/гб)/Фг_1), (1.26)

где г_б — омическое сопротивление базы диода.

Прологарифмировав (1.26), найдем падение напряжения на диоде:

U <рг1п (Шт + 1) + 1г_б. (1.27)

Для малых токов / (1.27) имеет вид

U к фг1п (Шт + IX-

Падение напряжения на диоде U зависит от тока 7, протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым 1т- Так как у кремниевых диодов тепловой ток /г мал, то и начальный участок прямой ветви характеристики значительно более пологий, чем у гер­маниевых (рис. 1.13). При увеличении температуры прямая ветвь ха­рактеристики становится более крутой из-за увеличения 1т и умень­шения сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее

Рис. 1.13. Изменение вольт-амперных характеристик при изменении темпер^туры для германиевого (а) и кремниевого (б) диодов

тому же значению прямого тока, при этом уменьшается, что оцени­вается с помощью температурного коэффициента напряжения (TKU):

е = МЛкТ. (1.28)

TKU показывает, насколько должно измениться напряжение на р-п-переходе при изменении температуры на 1° С при 7 = const.

В настоящее время наиболее широко применяются сплавные и мезадиоды, а также диоды с диффузионной базой.

Рассмотрим некоторые типы диодов, применяемых в низкочастот­ных цепях.