7.3. Классификация и основные параметры полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды (выпрямительные, стабилитроны, туннельные, обращенные и т.д.) относятся к обширному классу полупроводниковых приборов, применяющихся при построении электронных устройств, систем управления, радиотехнических и вычислительных комплексов.

Полупроводниковые диоды являются простейшими полупроводниковыми приборами. Их работа основана на процессах протекания тока в p-n-переходе. Полупроводниковый диод имеет два вывода (один от p- области, другой от n-области). Они соответственно называются анодом и катодом. Диод представляет собой пассивный нелинейный элемент (двухполюсник).

На условном графическом обозначении направление стрелки диода совпадает с направлением прямого тока. Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов приведены на рис. 7.8.

Полупроводниковые диоды
выпрямительные			светодиоды
стабилитроны			СВЧ-диоды
туннельные			обращенные
варикапы			фотодиоды
Рис. 7.8

Выпрямительный диод – полупроводниковый диод, в котором используется свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя на обратной ветви ВАХ p-n-перехода слабо зависит от тока. Он служит для стабилизации напряжения.

Помимо выпрямительных диодов широко применяются импульсные диоды, у которых площадь p-n-перехода значительно меньше, чем у выпрямительных диодов, в связи с чем они имеют малую длительность переходных процессов. Они используются в качестве ключевых элементов в схемах импульсной техники.

Еще одной разновидностью диодов являются диоды Шоттки. Диод Шоттки – это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на использовании выпрямляющего электрического перехода между металлом и полупроводником. На основе выпрямляющего перехода Шоттки создаются выпрямительные, импульсные и сверхвысокочастотные полупроводниковые диоды, отличающиеся от диодов с p-n-переходом лучшими частотными свойствами.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды предназначены для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала (более 300 МГц).

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором благодаря использованию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через p-n-переход. Характеристика туннельного диода имеет область отрицательного сопротивления, т.е. область, в которой положительному приращению напряжения соответствует отрицательное приращение тока. Это свойство может быть использовано для генерации и усиления электромагнитных колебаний. Туннельные диоды способны работать на частотах до сотен ГГц.

Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Из принципа действия обращенных диодов ясно, что они, во-первых, способны работать при очень малых сигналах. Во-вторых, они обладают очень хорошими частотными свойствами, так как в них имеет место туннельный эффект.

Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Светодиод – полупроводниковый диод с относительно большой шириной запрещенной зоны. Излучение квантов видимого света вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока через выпрямляющий электрический переход.

Фотодиод – полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Обычно в качестве фотодиодов используют полупроводниковые диоды с p-n-переходом, смещенным в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в p-n-переходе образуются новые носители заряда. Неосновные носители, возникшие в прилегающих к p-n-переходу областях, диффундируют к p-n-переходу и проходят через него под действием электрического поля. В результате при освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, называемую фототоком.

Очень важным с точки зрения предоставляемых им возможностей полупроводниковым прибором является оптопара. Оптопара – это полупроводниковый прибор, состоящий из в общем случае из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.

В частном случае в качестве одного элемента оптопары – излучателя – может быть использован светодиод, а в качестве второго элемента – фотоприемника может быть использован фотодиод (рис. 7.9).
	Рис. 7.9

Эти элементы помещаются в общий корпус оптопары. Основным достоинством применения оптопар является почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от исполнительных при сохранении сильной функциональной оптической связи. Можно отметить также однонаправленность оптической связи и отсутствие обратной реакции приемника излучения на излучатель.

После краткого рассмотрения предложенной классификации полупроводниковых диодов остановимся более подробно на параметрах и характеристиках двух типов, которые нашли наиболее массовое применение: выпрямительного диода и стабилитрона.

Вольт - амперные характеристики германиевых и кремниевых выпрямительных диодов показаны на рис. 7.10.
	Рис. 7.10

Обратный ток для диодов широкого применения измеряется в микроамперах (обратите внимание на разный масштаб измерений по оси ординат для прямого и обратного тока), и его, как правило, можно не принимать во внимание до тех пор, пока обратное напряжение на диоде не достигнет значения напряжения пробоя.

Прямое падение напряжения, обусловленное прямым током через диод, составляет от 0.2 до 0.8 В. Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только в одном направлении.

Параметры выпрямительного диода:

- постоянный прямой ток, протекающий через диод в прямом направлении;

- постоянный обратный ток;

- максимально допустимый средний выпрямленный ток, который может длительно проходить через диод, не вызывая изменения его параметров;

- максимальный выпрямленный прямой ток;

- постоянное прямое напряжение;

- максимально допустимое обратное постоянное напряжение;

- общая емкость диода;

- рассеиваемая мощность при прямом включении диода;

- статическое сопротивление открытого диода в заданной точке ВАХ с координатами и;

- статическое сопротивление закрытого диода в заданной точке ВАХ с координатами и;

- коэффициент выпрямления.

Значения параметров зависят от типа диода. Для сравнения в табл. 7.1 приведены значения указанных параметров для маломощных германиевого и кремниевого диодов. Приведенные в табл. 7.1 параметры определены при значениях прямого тока до 1 мА.

Таблица 7.1
Тип диода	, В	, Ом	, мкА	, МОм	, В	, Ом
Германиевый (типа Д311)	0.2	50	0.44	0.3	30	10
Кремниевый (типа Д219)	0.6	60	5·10-7	70	70	17

Кроме того, следует учесть, что величина зависит от температуры:

,

где =293 К^о, - температура удвоения теплового тока насыщения, которая для германия принимается равной7 К^о, а для кремния - 4.5 К^о.

ВАХ идеализированного p-n- перехода описывается выражением

(7.7)

где I – ток через p-n-переход; U – напряжение на p-n–переходе; - тепловой (обратный) токp-n-перехода; – коэффициент, учитывающий неоднородность полупроводника в области перехода (для идеального диодаm=1, для германиевых диодов , для кремниевых диодов;- тепловой потенциал,T – абсолютная температура, К^о; Дж/К – постоянная Больцмана; Кл – заряд электрона. При нормальной температуре T=300 K^о тепловой потенциал .

ВАХ реального диода, показанная на рис. 7.11 сплошной линией, отличается от идеализированной характеристики, показанной на рис. 7.11 штрих пунктирной линией и описываемой уравнением (7.7).

	ВАХ реального диода имеет четыре участка: прямую ветвь, обратную ветвь (до зоны пробоя), зону электрического пробоя (до ), зону теплового пробоя.
Рис. 7.11

При моделировании диода его реальная характеристика аппроксимируется нелинейной и линейной моделями. При использовании нелинейной модели ВАХ диода заменяют ВАХ p-n-перехода, а для уточнения модели последовательно с p-n-переходом включают сопротивление базы R_б30 Ом.

Полученная при этом эквивалентная схема полупроводникового диода приведена на рис. 7.12. В эквивалентной схеме характеризует сопротивление закрытого
	Рис. 7.12

диода и учитывает зависимость обратного тока через диод от напряжения, так как в реальных диодах обратный ток превосходит тепловойиз-за наличия тока термогенерациии тока утечки по поверхности перехода () и определяется как.

Инженерные методы расчета базируются на кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода, поэтому для каждого участка ВАХ используется своя линейная модель и своя эквивалентная схема (табл. 7.2).

До сих пор рассматривались параметры, характеризующие работу диода в статическом режиме. Работа диодов в динамическом режиме характеризуется конечным временем переключения из проводящего состояния в непроводящее и обратно. Это связано с накоплением и рассасыванием неравновесного заряда в диоде. Наличие заряда позволяет говорить о емкости диода , обусловленной наличием барьерную емкости и диффузионную емкости перехода.

На схемах замещения, например на рис.7.13в, емкость диода представляют в виде суммы емкостей . В силу наличиядинамические свойства диодов и их быстродействие оцениваются временем установления прямого сопротивленияи временем восстановления обратного сопротивления(рис. 7.13б), превышающимиз-за наличия времени рассасывания заряда, накопленного в базе диода.

Таблица 7.2
Участок ВАХ		Уравнение	Эквивалентная схема
1
2
3

а
в	б
Рис. 7.13

ВАХ стабилитрона изображена на рис. 7.14.

Рис. 7.14

Стабилитроны обеспечивают диапазон напряжений стабилизации от 3 до 200 В; их прямое напряжение составляет . Как видно из рис.7.14, обратное сопротивление диода при малых обратных напряженияхвелико. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение обратного тока вызывает малое изменение напряжения. Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и соответственно чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивлениеи меньше коэффициент качества, где.

Параметры стабилитрона:

- номинальное напряжение стабилизации;

- изменение напряжения стабилизации;

- номинальный ток стабилизации; определяемый в соответствии с выражением , где- минимальный ток стабилизации;- максимальный ток стабилизации;- температурный коэффициент.

Другие из ранее перечисленных типов диодов могут характеризоваться дополнительными параметрами в соответствии с их функциональным назначением. Так, например, кроме общих для всех диодов параметров, работу импульсных диодов характеризуют также:

-импульсным прямым напряжением;

-импульсным прямым током;

-временем восстановления, определяющим инерционность процессов выключения, восстановления ;

-временем установления, определяющим инерционность процессов включения, установления .