10.4.2 Обозначения полупроводниковых диодов

В основу системы обозначений полупроводниковых диодов согласно ОСТ 11 336.038-77 положен семизначный буквенно-цифровой код, первый элемент которого (буква – для приборов широкого применения, цифра – для приборов специального назначения) обозначает исходный полупроводниковый материал. Второй элемент обозначения – буква, определяет подкласс приборов, третий элемент – цифра или буква, определяет один из основных характеризующих данный прибор признаков. Четвертый, пятый и шестой элемент – трехзначной число, обозначающее порядковый номер разработки. Седьмой элемент – буква, характеризует классификацию по параметрам приборов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения материала (первый элемент) используют: Г или 1 – германий и его соединения; К или 2 – кремний и его соединения; А или 3 – арсенид галлия; И или 4 – фосфид индия.

Для обозначения подклассов приборов (второй элемент) используются буквы: Д – выпрямительные, импульсные диоды; Ц – выпрямительные столбы и мосты; В – варикапы; И – туннельные диоды; А – СВЧ диоды; С – стабилитроны и стабисторы; Г – генераторы шума; Л – излучающие светодиоды.

Значение третьего элемента, характеризующего основной признак прибора, зависит от подкласса прибора.

Примеры обозначений:

ГД508А – германиевый импульсный диод с временем восстановления от 150 до 500 нс, порядковый номер разработки 08, группа А.

КД215Б – кремниевый выпрямительный диод с прямым током более 0,3 А и менее 10 А, предназначенный для устройств широкого применения, номер разработки 15, группа Б.

10.4.3 Основные типы полупроводниковых диодов и их параметры

Выпрямительные диоды.

Они предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный ток при использовании схем однополупериодного, двухполупериодного или мостового выпрямления.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1. Максимально допустимое значение постоянного (или импульсного) прямого тока, текущего через диод.

2. Постоянное прямое (или импульсное) падение напряжения на диоде.

3. Постоянный обратный ток диода.

4. Максимально допустимое значение постоянного (или импульсного) обратного напряжения, приложенного к диоду.

5. Максимально допустимая температура р-п перехода.

Импульсные диоды.

Такие диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных режимах.

При подаче на диод прямоугольного импульса напряжения прямого смещения ток через диод устанавливается не сразу, так как накопление инжектированных носителей заряда в базе ограничивается временем их диффузии. При длительном прохождении прямого тока процесс инжекции неосновных носителей заряда уравновешивается процессом их рекомбинации. Возникает некоторое установившееся состояние (рис.10.5 а).

При переключении диода с прямого напряжение на обратное в начальный момент возникает достаточно большой обратный ток, ограниченный в основном последовательным сопротивлением базы диода. После чего начинается процесс рассасывания неосновных носителей заряда, накопленных в базе. Обратный ток начинает уменьшаться. С течением времени все накопленные в базе неосновные носители либо прорекомбинируют в базе, либо уйдут через р-п переход. Обратный ток достигнет своего стационарного значения тока насыщения.

Переходной процесс, в течение которого обратное сопротивление полупроводникового диода восстанавливается до постоянного значения после быстрого переключения с прямого направления на обратное, называют восстановлением обратного сопротивления диода. Соответственно для импульсного диода дополнительно вводится параметр время восстановления обратного напряжения t_вос, равное интервалу времени от момента прохождения тока через ноль после переключения диода с заданного прямого тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения обратным током заданного низкого значения.

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения, что связано со значительным сопротивлением базы (рис.10.5 б). По мере инжекции неосновных носителей сопротивление базы уменьшится, что понизит прямое падение напряжения на диоде до стационарного значения. Переходной процесс, в течение которого прямое сопротивление диода устанавливается до постоянного значения после быстрого включения в прямом направлении, называют установлением прямого сопротивления диода. Соответственно следующим специфическим параметром импульсного диода является время установления прямого напряжения диода t_уст.

Для повышения импульсных свойств диодов необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей заряда, что достигается введением в полупроводниковый материал диода специальных примесей.

Диоды Шотки.

В этих диодах выпрямительные свойства основаны на использовании свойств перехода металл-полупроводник.

Существенное отличие диодов Шотки от диодов на основе р-п перехода в том, что в диодах Шотки токопрохождение осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции и последующего рассасывания носителей при переключении с прямого напряжения на обратное. Поэтому быстродействие диодов Шотки принципиально выше быстродействия диодов на р-п переходах. Диоды Шотки с успехом выполняют роль выпрямительных, импульсных и СВЧ диодов. Типовая конструкция диодов Шотки с двухслойной базой приведена на рис.10.6 а.

При включении диодов Шотки в прямом направлении прямой ток возникает благодаря движению основных носителей заряда полупроводника в металл, а носители другого знака (неосновные для полупроводника) практически не могут перейти из металла в полупроводник из-за высокого для них потенциального барьера на переходе металл-полупроводник.

Основными отличиями диода Шотки являются:

1. Меньшее падение прямого напряжения на диоде из-за меньшей высоты потенциального барьера для основных носителей заряда полупроводник.

2. Больший максимальный прямой ток, что связано с меньшим падением прямого напряжения и с лучшими условиями охлаждения перехода благодаря хорошему теплоотводу от выпрямляющего контакта Шотки.

3. Выпрямительные диоды Шотки выдерживают большие перегрузки по току по сравнению с диодами на р-п переходах.

4. Быстродействие диодов Шотки выше за счет отсутствия процессов инжекции неосновных носителей заряда.

5. Прямая ветвь АЧХ практически точно описывается выражением (10.7). Поэтому диоды Шотки можно использовать как быстродействующие логарифмические преобразователи.

6. Для диодов Шотки с тонкой базой обратная ветвь АЧХ имеет насыщение, а для диодов с толстой базой обратный ток пропорционален (рис.10.6 б).

Параметры определяются их использованием: выпрямительные или импульсные.

Стабилитроны.

Стабилитроны это диоды, предназначенные для стабилизации напряжения в заданных пределах. Принцип действия стабилитрона основан слабой зависимости обратного напряжения от протекающего через диод тока в режиме туннельного или лавинного пробоя (см. рис.10.2). До наступления пробоя стабилитроны имеют очень большое статическое сопротивление (порядка единиц МОм), после пробоя дифференциальное сопротивление стабилитрона составляет единицы – десятки Ом.

ВАХ и схема включения стабилитрона приведена на рис.10.7. Сопротивление балластного резистора R₀ определяется из соотношения:

(10.11)

Стабилитроны характеризуются следующими параметрами:

1. Напряжением стабилизации U_Ст, которое в зависимости от типа стабилитрона находится в пределах от 3 до 200 В.

2. Отклонением напряжения стабилизации от заданного ΔU_Ст.

3. Минимальным и максимальным током стабилизации I_{Ст min}, I_{Ст max.}

4. Дифференциальным сопротивлением:

(10.12)

Стабилитроны могут быть двуханодными, т.е. их ВАХ симметрична и обе ветви ВАХ могут использоваться для стабилизации напряжения.

Вкачестве примера стабилитронов можно привести диоды типа КС191, КС447, Д818.

Совершенствование стабилитронов привело к созданию стабилитронов с напряжением равным напряжению запрещенной (энергетической) зоны полупроводника (bandgap voltage). Это стало возможным по мере совершенствования технологии изготовления кремниевых ИС.

Кремниевые диоды, проводящие в прямом направлении, имеют четкий температурный коэффициент - 2,1 мВ/°C. Если изготовить, например, 11 идентичных диодов на кремниевой подложке, и все, кроме одного, центрального, соединить параллельно, то можно сделать следующее. Пропустим одинаковые токи через один центральный диод и группу диодов. Тогда окажется, что плотность тока через центральный диод примерно в 10 раз выше, чем через один диод, входящий в диск. Напряжение на центральном диоде имеет отрицательный ТКН, а напряжение для диода из группы имеет положительный ТКН. Интегральное исполнение позволяет суммировать эти два напряжения (переход U_б-э + напряжение с положительным ТКН). При этом температурный коэффициент будет нулевым, когда суммарное напряжение равно напряжению запрещенной зоны кремния (для температуры абсолютного нуля), что составляет примерно 1, 205В. В отличие от стабилитронов такие диоды имеют очень резкую обратную ветвь ВАХ, которая при малых токах практически не зависит от температуры (рис.10.8).

Минимальные токи стабилизации таких стабилитронов очень малы (от 10 мкА до 20 мА), тогда как точность стабилизации менее 0,1 %. Причем, максимальную стабильность обратное напряжение имеет при токах стабилизации от 10 до 100 мкА. Кроме того, напряжение стабилизации таких диодов очень слабо зависит от температуры. Поэтому такие стабилитроны широко применяются как источники опорного напряжения.

В качестве примера стабилитронов с напряжением равным напряжению запрещенной зоны можно привести диоды типа REF1004C-1,2, MAX 872, TL491.

Стабисторы.

Стабисторы это диоды, предназначенные для стабилизации напряжения в заданных пределах. В отличие от стабилитронов принцип действия стабисторов основан на относительно слабой зависимости прямого напряжения от протекающего через диод тока в режиме прямого смещения диода (рис.10.9). В связи с этим стабисторы в отличие от стабилитронов имеют значительные токи стабилизации (десятки мА), малые значения стабилизируемого напряжения (от 0,7 до 1.9 В) и большой разброс (до ±10%) напряжения стабилизации.

В связи с появлением стабилитронов с напряжением равным напряжению запрещенной зоны в настоящее время практически не используются. В качестве примера стабистора можно привести диоды типа КС107, КС113, КС119.

TVS-диоды (transient voltage supressor).

Это полупроводниковые диоды с резко выраженной нелинейной вольтамперной характеристикой, подавляющие импульсные электрические перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжения лавинного пробоя диода.

Действие TVS-диода основано на механизме лавинного пробоя обратно смещенного р-п перехода.

TVS-диоды как и обычные стабилитроны бывают несимметричные (рис.10.10 а) и симметричные (рис.10.10 б).

В нормальном рабочем режиме TVS-диод должен быть «невидим», то есть не влиять на работу защищаемой цепи до момента возникновения импульса перенапряжения. Электрические характеристики TVS-диода не должны оказывать никакого влияния на нормальное функционирование цепи.

Во время действия импульса перенапряжения TVS-диод ограничивает выброс напряжения до безопасного уровня, в то время как опасный ток протекает через диод на землю, минуя защищаемую цепь. Принцип работы TVS-диода показан на рис. 10.10 в.

TVS-диоды разработаны и предназначены для защиты от мощных импульсов перенапряжения, в то время как кремниевые стабилитроны предназначены для регулирования напряжения и не рассчитаны на работу при значительных импульсных нагрузках.

Основные электрические параметры TVS-диодов следующие:

1. Напряжение пробоя U_проб. при заданном тестовом токе пробояI_Т.

2. Постоянный обратный ток I_обр., протекающий через прибор в обратном направлении при напряжении, равномU_обр.

3. Постоянное обратное напряжение U_обр(в соответствии с этим параметром выбирается тип ограничителя).

4. Максимальное импульсное напряжение ограничения U_{огр. имп. мах}при максимальном импульсном токе при заданных длительности, скважности, форме импульса и температуре окружающей среды.

5. Максимально допустимая импульсная мощность Р_{имп. мах.}, рассеиваемая прибором, при заданных форме, скважности, длительности импульса и температуре окружающей среды.

Время срабатывания у несимметричных TVS-диодов менее 10^-12с, а у симметричных— менее 5х10^-9с. Это позволяет использовать их для защиты различных радиочастотных цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы. Другой важной характеристикой TVS-диодов является барьерная емкость р–n-перехода. Малоемкостные TVS-диоды (С_БАР=90–100 пФ) применяются для защиты линий связи переменного тока с частотой до 100 МГц от выбросов напряжения.

Примером симметричных TVS-диодов могут служить диоды типа 1,5КЕ6,8С, 1,5КЕ440СА, а несимметричных TVS-диодов – диоды типа 1N6267, ICTE5.0.

Варикапы.

Варикапом называется полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости обратно смещенного р-п перехода от приложенного напряжения.Фактически варикап – это нелинейная емкость, управляемая напряжением.

Наличие области объемного заряда на границе р-п перехода вызывает возникновение емкости р-п перехода. При прямом смещении такая емкость называется диффузионной емкостью, а при прямом смещении – барьерной емкостью. В варикапах используется барьерная емкость, которая не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона, имеет высокую добротность, низкий уровень шумов и малый ТКЕ.

Барьерная емкость определяется протяженностью обедненной области и площадью р-п перехода, т.е. ее можно определить из формулы плоского конденсатора:

, (10.13)

где ε - диэлектрическая проницаемость кремния;

ε₀- диэлектрическая постоянная;

S - площадь р-п перехода;

L - протяженность обедненной области р-п перехода, определяемая по выражению (10.6) при замене в этом выраженииU₊на –U_-.

Тогда с учетом (10.13) и (10.6) получим зависимость барьерной емкости С_БАРрезкого р-п перехода от величины приложенного обратного напряженияU_-:

, (10.14)

гдее – заряд электрона;

р_р - равновесная концентрация дырок в акцепторном полупроводнике;

φ₀– контактная разность потенциалов.

Из выражения (10.14) следует, что с ростом обратного напряжения барьерная емкость резкого р-п перехода уменьшается обратно пропорционально корню квадратному из приложенного напряжения (рис.10.11). Такую зависимость фактически описывает зависимость емкости нелинейного конденсатора от приложенного напряжения.

Основными параметрами варикапов являются:

1. Емкость варикапа– это величина емкости варикапа, измеренная между его выводами при заданном обратном напряжении. Емкость варикапов в зависимости от типа варикапа составляет от единиц до сотен пФ.

2. Коэффициент перекрытия по емкости– это отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения. Обычно этот параметр составляет несколько единиц.

3. Добротность варикапа– это отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Добротность варикапов составляет от нескольких десятков до нескольких сотен.

Варикапы широко используются для электронной настройки резонансных контуров за счет изменения емкости при плавном изменении напряжения.

Примерами варикапов являются диоды типа КВ102, КВ109, КВ121.

Туннельные диоды.

Туннельным диодом называется такой полупроводниковый диод, созданный на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ при прямом смещении участка с отрицательной дифференциальной проводимостью.

ВАХ туннельного диода имеет участок с отрицательной дифференциальной проводимостью, на котором с ростом напряжения прямого смещения прямой ток уменьшается (рис.10.12). На этом участке дифференциальная проводимость отрицательна:

(10.15)

Приборы с отрицательной проводимостью обладают широкими функциональными возможностями для построения усилителей, генераторов, смесителей, переключателей и т.п.

В туннельных диодах, в отличии от выпрямительных диодов, п- и р-области сильно легированы, поэтому согласно (10.6) протяженность области обедненного слоя р-п перехода у них очень мала (около 0,01 мкм). При столь малой толщине р-п перехода резко возрастает его прозрачность для туннелирования электронов.

Большая концентрация примеси в п- и р- области приводит к расщеплению примесных уровней, в результате чего образуются примесные зоны, непосредственно прилегающие к потолку валентной зоны в области р-типа (область 1), и ко дну зоны проводимости в области п-типа (область 2) (рис.10.13 а).

Если на туннельный диод подать небольшое прямое прямое напряжение eU, то электроны из зоны проводимости будут туннелировать на противостоящие свободные уровни валентной зоны (рис.10.13 б). С повышением прямого смещения туннельный ток будет нарастать и станет наибольшим, когда максимальной концентрации электронов в примесной зоне 2 будет соответствовать максимальное число свободных уровней в валентной зоне (рис.10.13 в).

При дальнейшем повышении прямого смещения перекрытие примесных уровней начнет уменьшаться, что приведет к уменьшению туннельного тока (рис.10.13 г), и когда перекрытие примесных уровней будет отсутствовать, то туннелирование электронов прекратится (рис.10.13 д). Возникнет участок с отрицательной дифференциальной проводимостью. Однако ток через р-п переход не прекратится, поскольку возникнут как в обычном диоде при прямом смещении диффузионные токи (рис.10.13 е).

При обратном смещении перекрытие примесных уровней возрастает и дырки из примесной зоны 1 легко туннелируют на свободные уровни зоны проводимости (рис.10.13 ж). Таким образом, в отличие от обычного диода туннельный диод обладает очень высокой проводимостью при обратном включении.

Основные параметры туннельных диодов следующие (см.рис.10.12):

1. Пиковый ток I_П– это прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором значение.

2. Ток впадины I_В - это прямой ток в точке минимума ВАХ, при котором значение.

3. Напряжение пикаU_П– это прямое напряжение, соответствующее пиковому току.

4. Напряжение впадиныU_B– это прямое напряжение, соответствующее току впадины.

5. Резонансная частота – это расчетная частота, при которой общее реактивное сопротивление р-п перехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в нуль.

6. Общая емкость диода.

В туннельных диодах вследствие малой инерционности туннельного эффекта отрицательная проводимость практически не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона. По этой причине туннельные диоды широко используются в усилителях, генераторах, смесителях с усилением в диапазоне волн вплоть до миллиметрового диапазона. На туннельных диодах строятся схемы триггеров, мультивибраторов, переключателей с очень малыми временами переключения. Кроме того, поскольку р- и п- области туннельного диода сильно легированы, то параметры туннельных диодов очень слабо зависят от температуры в области температур от единиц Кельвина до нескольких сотен градусов Цельсия.

Примерами туннельных диодов могут служить диоды типа 3И101, АИ301, ГИ103.

Вариантом туннельного диода являетсяобращенный диод. В таком диоде концентрация примесей соответствует критической, при которой при отсутствии смещения на р-п переходе, потолок валентной зоны и дно зоны проводимости располагаются на одном уровне (рис.10.14 а). Тогда при обратном смещении обращенного диода его проводимость будет, как и в случае туннельного диода, определяться туннельными токами электронов из валентной зоны в зону проводимости (см. рис.10.13 ж). При прямом смещении туннельные токи отсутствуют, а проводимость обращенного диода, в этом случае, определяется диффузионными токами (см. рис10.13 е).

Вследствие таких эффектов обратные токи в обращенном диоде достигают значительных величин при ничтожно малых (десятки милливольт) обратных напряжениях (рис.10.14 б). Прямая же ветвь ВАХ обращенного диода подобна прямой ветви выпрямительного диода, когда значительные токи через прямо смещенный р-п переход возникают при прямом напряжении величиной в десятые доли вольта.

Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но проводящее направление у них соответствует обратному смещению, а запирающее направление соответствует прямому включению.

Обращенные диоды способны работать с очень малыми по амплитуде сигналами. Кроме того, поскольку процесс туннелирования малоинерционный обращенные диоды используют на СВЧ. И, наконец, за счет высокой концентрации примеси, обращенные диоды устойчивы к радиационному воздействию.

Примерами обращенных диодов могут служить диоды типа 3И402, 1И401, ГИ403.

Лавинно-пролетные диоды.

Лавинно-пролетный диод – это полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода и предназначенный для генерации СВЧ колебаний.

Генерация электромагнитных колебаний СВЧ может возникать в диодах с различной структурой, например: р⁺-п-i-n⁺или р⁺-п-n⁺. Рассмотрим возникновение генерации СВЧ колебаний в структуре р⁺-п-n⁺при обратном напряжении, имеющем постоянную и переменную составляющие (рис.10.15). При отсутствии переменного напряжения величина постоянного напряжения задается такой, чтобы рабочая тока А находилась на участке чуть ниже участка лавинного пробоя.

При приложении дополнительного переменного напряжения, суммарное напряжение может превысить напряжение лавинного пробоя, и начинается ударная ионизация – лавинный пробой. Поскольку электрическое поле максимально в области р-п перехода, то лавинная генерация пар зарядов „электрон – дырка” наблюдается в узкой части р-п перехода вблизи металлургической границы. Возникшие носители заряда разделяются электрическим полем р-п перехода. Ток, вызванный движением этих носителей заряда, проходит до тех пор, пока эти носители не выйдут из р-п перехода. За время пролета носителей заряда через переход (в нашем случае электронов) суммарное напряжение на диоде может уменьшиться, если частота переменной составляющей будет достаточно большой. Таким образом, из-за конечного времени пролета носителей заряда появляется фазовый сдвиг между проходящим через диод током и приложенным к этому диоду переменным напряжением высокой частоты.

Величина фазового сдвига будет зависеть не только от времени пролета τ_Пносителей заряда, но и от времени развития лавины τ_Лпри ударной ионизации (рис.10.16). Если время задержкисоответствует половине периода колебаний высокой частоты переменного напряжения, приложенного к диоду, то уменьшение переменного напряжения вызовет возрастание тока через диод на протяжении всего периода (рис.10.17). А это означает, что динамическое сопротивление диодастанет отрицательным на протяжении всего периода действия переменного напряжения высокой частоты.

Если же время задержкисоответствует четверти или три четверти периодаТколебаний высокой частоты переменного напряжения, приложенного к диоду, то отрицательное сопротивление будет наблюдаться только в четверть периода через полупериод, что соответствует предельным случаям. Поэтому отрицательное сопротивление в лавинно-пролетном диоде будет реализовываться при условии:

(10.16)

Элемент с отрицательным сопротивлением или отрицательной проводимостью способен отдавать в электрическую цепь мощность по переменному току путем преобразования энергии источника питания. Действительно, мощность по переменному току определяется выражением:

, (10.17)

где - закон изменения переменного напряжения;

- закон изменения переменного тока.

Тогда, если сдвиг фаз равен нулю (φ=0), то переменная мощность положительна (Р_≈ > 0), элемент имеет положительное сопротивление и потребляет мощность (рис.10.17 а).

Если сдвиг фаз по модулю равен π/2 (), то элемент имеет чисто реактивное сопротивление и переменной мощности не потребляет (Р_≈ = 0) (рис.10.17 б).

Если сдвиг фаз , то переменная мощность отрицательна (Р_≈ < 0) (рис.10.17 в, г). Формально это означает, что этот элемент способен отдавать энергию в электрическую цепь, т.е. может усиливать или генерировать колебания.

Лавинно-пролетные диоды используют как мощные генераторы СВЧ колебаний миллиметрового диапазона. Использованию их как усилителей СВЧ колебаний препятствует высокий уровень шумов, вызванных ударной ионизацией носителей заряда в р-п переходе.

Основные параметры лавинно-пролетных диодов:

1. Рабочая частота колебаний СВЧ.

2. Рабочий ток.

3. Обратное напряжение при рабочем токе.

4. Выходная непрерывная мощность СВЧ колебаний.

Примерами лавинно-пролетных диодов могут служить диоды типа 1А704, 2А706.

24