2 Структура и принцип действия

В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых диодах используется электронно-дырочный p-n переход.

Полупроводниковые диоды, как правило, содержат несимметричные p-n-переходы, где одна из областей (p или n) легирована значительно сильнее, чем другая. Структура диода с резким несимметричным р-n-переходом и распределение концентрации легирующих примесей (акцепторов N_а и доноров N_д) в р- и n-областях показаны, соответственно, на рисунке 2.

Рисунок 2 – Распределение концентрации примесей при резком несимметричном переходе

П ри прямом смещении (когда внешнее напряжение снижает потенциальный барьер перехода) возникает инжекции носителей заряда. Основной поток носителей направлен из сильно легированной области (например, эмиттера) в слабо легированную область (базу). Например, в диоде с p⁺-n-структурой (p-область сильно легирована, n-область слабо) дырки активно инжектируются из p-области в n-область, тогда как электроны из n-области почти не участвуют в прямом токе из-за малой концентрации. База диода — это слабо легированная область, куда инжектируются неосновные носители.

При обратном смещении p–n-перехода внешнее электрическое поле совпадает по направлению с внутренним и происходит экстракция неосновных носителей заряда из прилегающих к переходу областей.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего электрического перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая из двух величин: диффузионная длина неосновных носителей заряда в базе или толщина базы.

Плоскостной диод — это полупроводниковый прибор, у которого площадь выпрямляющего перехода значительно превышает величину характеристической длины. Точечный диод, напротив, имеет площадь перехода, которая существенно меньше характеристической длины.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода с учетом только процессов инжекции и экстракции неосновных носителей заряда изображены на рисунке. В реальных диодах ВАХ отличается от идеализированной, показанной на рисунке 3. Это отличие обусловлено тем, что при прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывают падение напряжения на сопротивлении базы диода, а также наличие токов рекомбинации в p-n-переходе, модуляция сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей заряда и наличие в базе внутреннего поля, возникающего при большом уровне инжекции.

Рисунок 3 – ВАХ диода

При обратном включении ток неосновных носителей заряда, возникающих в результате тепловой генерации в объеме р- и n-областей диода, примыкающих к ОПЗ (ток насыщения), может составлять лишь часть обратного тока диода из-за вклада термогенерационных явлений непосредственно в области p–n-перехода, влияния поверхностных состояний и существования токов утечки.

3 Основные параметры и характеристики

К основным параметрам выпрямительных диодов относятся (типовые значения приведены в скобках):

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр max} – значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения работоспособности (от десятков до тысяч вольт).

2. Средний выпрямленный ток диода I_{вп ср} – среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (от сотых долей до тысяч ампер).

3. Средний обратный ток диода I_{обр ср} – среднее за период значение обратного тока (от долей микроампера до долей ампера).

4. Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока U_{пр ср} (от десятых долей до нескольких вольт).

5. Средняя рассеиваемая мощность диода P_ср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и в обратном направлениях (от десятков милливатт до сотен ватт).

6. Дифференциальное сопротивление диода r_диф – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (от сотых долей до тысяч ом).