3. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р-п) переход, разделяющий р- и n-области кристалла полупроводника (рис. 2.1).

К р- и n-областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, - базой. Если эмиттером является р-область, для которой основными носителями заряда служат дырки р_р, а ба­зой n-область (основные носители заряда - электроны п_п), то выполняется условие р_р>>п_п.

Рис. 2 1. Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов р-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения

Принцип работы. Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение на выводах диода отсутствует. Тогда в результате встречной диффузии дырок (из р- в л-область) и электронов (из п- в р-область) в объеме полупроводникового кристалла, расположенного вблизи границы раздела двух областей с различной проводимостью, заряды неподвижных ионов примесей окажутся нескомпенсированными (акцепторов для р-области и доноров для n-области). Эти заряды создадут по обе стороны раздела полупроводникового кристалла область объем­ного заряда. Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры количество диффундируемых через p-n-переход основных носителей заряда из одной области должно равняться количеству диффундируемых основ­ных носителей заряда из другой области. С учетом того, что концентрация электронов п_n в базе значительно меньше концентрации дырок р_р в эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет больше, чем со стороны эмит­тера. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает электрическое поле с напряженностью E_зар, препятствующее дальнейшей встреч­ной диффузии основных носителей заряда. Таким образом, на границе р-n-перехода образуется контактная разность потенциалов, численно характеризую­щаяся высотой потенциального барьера Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряда недостаточна, чтобы преодолеть созданную вы­соту потенциального барьера.

Если к выводам диода приложить прямое напряжение (см рис. 2 1), то создаваемое им электрическое поле Е будет компенсировать E_зар и в область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее количество дырок (неосновных носителей заряда для n-области базы), которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией n_n в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что р_р>>п_п.

Если к выводам диода приложить обратное напряжение (—U), то создавае­мое им электрическое поле (-E), совпадая по направлению с E_зар. повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряженность электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда: п_р - из р- в n-область и р_n - из п- в р-область, которые и образуют обратный ток.

Количество неосновных носителей заряда значительно изменяется при из­менении температуры, возрастая с ее повышением. Поэтому обратный ток р-n-перехода, образованный за счет неосновных носителей, называют тепловым током I_о Температурное изменение I₀ определяется известной зависимостью

(2.1)

где I₀ — значение теплового тока при комнатной температуре Т_о=300 К; ΔT — значение приращения температуры, соответствующее удвоению значения теплового тока. Значение ΔT зависит от материала полупроводника и составляет при­мерно 10 К для германия и 7 К для кремния

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода описывается вы­ражением

(2.2)

где U_д — напряжение на р-п-переходе; _T = kT/q - тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов _к на границе р-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, _т = 0,025В); k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; q - заряд электрона.

П ри отрицательных напряжениях порядка 0,1 ...0,2 В экспоненциальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебрегать (е^-4~0,02), при положительных напряжениях, превышающих 0,1 В, можно пренебрегать единицей (е⁴~54,6), поэтому ВАХ, описываемая этими выражениями, будет иметь вид, приведенный на рис. 2.2, а.

Рис. 2.2 Статические вольт-амперные характеристики идеального р-n-перехода (а) и реального диода (б)

По мере возрастания положительного напряжения на р-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изменению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для р-n-переходов характерен режим заданного прямого тока.

Следует отметить, что приведенная ВАХ (см. рис. 2.2, а) является идеальной ВАХ р-n-перехода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационных процессов, происходящих в объеме и на поверхности р-n-перехода, считая его бесконечно тонким и длинным.

Реальный р-n-переход не является бесконечно тонким и по­этому при обратном напряжении происходит генерация пар электрон-дырка, образующая ток генерации I_ген. Причем с увеличением обратного напряжения растет толщина р-n-перехода (эффект Эрли), а, следовательно, и количество генерируемых пар. Вот почему с возрастанием обратного напряжения одновременно возрастает и обратный ток (рис. 2.2.,б).

Протяженность реального р-n-перехода также не бесконечна. Поверхность полупроводникового кристалла характеризуется нарушениями кристаллической решетки и различными загрязнениями, что обусловливает рекомбинационно-генерационные про­цессы на поверхности р-n-перехода и приводит к появлению дополнительного тока - тока утечки I_ут. Таким образом, обратный ток реального диода

При нарушениях технологического процесса, когда появляется возможность попадания различных загрязнений на поверхность полупроводникового диода, ток утечки может составлять основную часть обратного тока диода, значительно превышая токи I_ген и I_о и даже шунтируя, р-n-переход.

Относительная доля I_ген и I₀ в обратном токе диода зависит от типа исходного полупроводникового материала. Так, для германия I_ген/I_о<<1. для кремния I_ген/I_о ~ 1000.

Ток I_ут также зависит и от типа применяемого полупроводни­кового материала. Для германиевых диодов всегда I_ут<I_ген+I_о. Для некоторых типов кремниевых диодов наоборот I_ут>I_ген+I_о

С учетом сказанного приближенно можно считать, что для гер­маниевых диодов I_обр≈I_о, т. е. обратным током является тепловой ток, поэтому он в большой степени подвержен температурным изменениям и превышает значения обратных токов кремниевых дио­дов на несколько порядков. Для кремниевых диодов I_о=I_ген+I_ут.

Реальные обратные токи германиевых диодов, для которых I₀ на 7... 8 порядков больше, чем для кремниевых, отличаются от об­ратных токов кремниевых диодов примерно на 3 порядка.

Вольт-амперная характеристика реального диода имеет вид, приведенный на рис. 2.2,б (сплошная линия). Из нее следует, что при определенном значении обратного напряжения U_обр =U_проб на­чинается лавиннообразный процесс нарастания тока I_oбр, соответ­ствующий электрическому пробою p-n-перехода (отрезок АВ на рис. 2.2,б). Если в этот момент ток не ограничить, то электриче­ский пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такой процесс нарастания тока I_oбр характерен для кремниевых диодов. В германиевых диодах при увеличении обратного напряжения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания тока I_обр. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения U_обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р-n-переход.

Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в р-n-переходе. При некотором значении пробивного напряжения (U_проб) мощность, выделяющаяся в диоде (Р_д = U_обрI_обр), не успевает отводиться от перехода, что ведет к увеличению его температуры и, следовательно, обратного тока и дальнейшему повышению температуры. Возникает положительная обратная связь и переход вследствие перегрева разрушается. Не трудно видеть, что напряжение теплового пробоя сильно зависит от тока I_обр и условий охлаждения прибора. Так как для диодов, изготовленных на основе германия, I_oбp больше, чем для диодов на основе кремния, то для первых вероятность теплового пробоя выше, чем для вторых. Поэтому максимальная рабочая температура окружающей среды и, следовательно, перехода для кремниевых диодов выше, чем для германиевых (соответственно 75 ...90°С против 150... ...200° С).

Прямая ветвь ВАХ реального диода (см. рис. 2.2, б) также отличается от ВАХ идеального р-n-перехода. Это объясняется тем, что выражение (2.1) не учитывает влияния объемного сопротивления базы R б диода при больших уровнях инжекции'. Действительно, концентрация основных носителей заряда в области базы, как уже отмечалось, значительно меньше, чем в области эмиттера, что выражается в существенном различии сопротивлений этих областей (R_Б>>R_Э) Значение R_Б зависит от типа диода и может изменяться от десятых долей до нескольких десятков Ом. Наличие существенного объемного сопротивления базы приводит к неравенству значений напряжений на выводах диода (U_д), на его электронно-дырочном переходе (U_бэ). Эта разница тем выше, чем больше прямой ток диода, ибо U_БЭ = U_Д.—IR_Б. В то же время аналитическое выражение (2.2) для ВАХ идеального р-п перехода не учитывает падение напряжения в области базы, равное IR_Б, и подразумевает под U=U_Д только значение Uбэ. Под­ставив в выражение (2.1) реальное значение Uбэ и пренебрегая единицей для больших уровней инжекции получим уравнение, опи­сывающее прямую ветвь ВАХ реального диода

или

При I>>I_oбр, что соответствует большим уровням инжекции, слагаемым, включающим ln(I/I_oбр), можно пренебречь. Тогда прямая ветвь ВАХ реального диода описывается линейной зависимостью U=IR_Б. Этот участок ВАХ называют омическим участком прямой ветви.

Строго говоря, сопротивление R_Б не остается постоянным яри изменении прямого тока диода. Сопротивление базы зависит от плотности тока, т. е. I, и связанное с ним повышение концентрации избыточных неосновных носите­лей в базе приводит к уменьшению R_б. Явление уменьшения сопротивления базовой области полупроводникового прибора вследствие инжекции в нее неосновных носителей из прямосмещенного p-n-перехода называется модуляцией со­противления базы

Совместное влияние R_Б и модуляции этого сопротивления приводят к со­хранению экспоненциального характера ВАХ в области больших токов. Однако линейность ВАХ реальных диодов в области больших токов для большинства случаев является допустимой аппроксимацией

Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Характер изменения прямой ветви ВАХ при изменении температуры показан на рис. 2.2, б (штриховая кривая для Т₂>Т₁ где Т₁ = Т₀~300K - комнатная температура). При расчете падения напряжения на прямосмещенном полупроводниковом диоде можно полагать, что значение прямого падения напряжения уменьшается примерно на 2,0... 2,2 мВ, при изменении температуры на 1 К. т. е. U(T)—U(T₀)= -(2,0 ... 2,2) (Т-Т_о)/1000 В.

Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения (ТКН), K^-1.

ТКН = ΔU/(UΔT). (2.3)

Этот коэффициент показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 К при некотором значении прямого тока.

Сопротивление и емкости диода. Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, легко определяемыми по ВАХ. Дифференциальное сопротивление (r_д) численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как котангенс угла между касательной в рассматриваемой рабочей точке ВАХ диода и осью абсцисс (штриховая линия на рис. 2.2,6 с углом наклона β):

R_Д=dU/dI≈ ΔU/ΔI = (m_U/m_I)ctgβ, (2.4)

где ΔU и ΔI — конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки Е; m_U и m_I — масштабы осей напряжения и тока.

Статическое сопротивление (R_ст) численно равно отношению напряжения на элементе U_E к протекающему через него току I_E (см. рис. 2.2,б). Это сопротивление равно котангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:

Rст = Ue/Ie = (m_u/m_I) ctg . (2.5)

В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена за­данная рабочая точка, значение R_CТ может быть меньше, равно или больше значения r_д. Однако R_ст., всегда положительно, в то время как r_д может быть и отрицательным, как, например, в случае туннельного диода.

При работе на высоких частотах и в импульсных режимах на­чинает играть роль емкость диода С_д, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает емкость перехода С_пер, образованную диффузионной (С_диф), зарядной (барьерной С_зар) емкостями, и емкость С_к корпуса диода

С_Д = С_диф + С_3ар + С _к

Диффузионная емкость возникает в приконтактном слое р-n-перехода за счет изменения количества диффундируемых дырок и электронов, т. е. за счет изменения заряда, вызванного изменением прямого напряжения. Как любая емкость, она может быть пред­ставлена как изменение заряда ΔQ, отнесенное к вызвавшему его изменению напряжения ΔU

С_диф= ΔQ / ΔQ. (2.6)

Зависимость С_диф от значения прямого тока I_пр имеет вид:

(2.7)

где т_р — время жизни дырок в базе диода n-типа.

Диффузионная емкость будет тем больше, чем больше прямой ток через переход и чем больше время жизни неосновных носителей заряда для области базы диода.

Из выражения (2.7) следует, что диффузионная емкость обра­щается в нуль при I_пр=-I_обр.

Особенностью диффузионной емкости является то, что она, пред­ставляет собой до некоторой степени фиктивную емкость. Наличие этой емкости не связано, например, с протеканием токов смещения через переход. Однако это замечание касается только физического содержания диффузионной емкости. На внешних зажимах полу­проводникового диода эта емкость будет давать емкостный фазо­вый сдвиг между током и напряжением.

Зарядная емкость возникает при обратном напряжении на переходе и обусловлена изменением в нем объемного заряда. Как видно из рис. 2.1, область объемного заряда представляет собой двойной слой противоположных по знаку неподвижных объемных зарядов. Этот двойной слой можно уподобить обкладкам плоского конденсатора, заряженного до некоторого потенциала _K = E_3ap. Когда приложено внешнее запирающее напряжение, разность по­тенциалов между электронной и дырочной областями полупроводника увеличивается, что приводит к увеличению объемных зарядов в электронной и дырочной областях полупроводника. Так как объемные заряды создаются неподвижными, связанными с кри­сталлической решеткой ионами атомов доноров и акцепторов, то увеличение объемного заряда может быть связано только с рас­ширением области объемного заряда в основном в сторону обла­сти слаболегированного полупроводника (область базы). Другими словами, при повышении запирающего напряжения, приложенного к переходу, увеличивается область, обедненная подвижными носителями заряда — электронами или дырками. Отношение изменения объемного заряда ΔQ_3ap к вызвавшему его изменению запирающего напряжения ΔU_обр будет равно величине зарядной (или иначе барьерной) емкости. Барьерная емкость будет тем больше,

Рис. 2.3. Схема замещения полупроводникового диода

Рис. 2.4. Структура точечного диода: 1— пластина полупроводника, 2 — металлическая проволока

чем больше концентрация подвижных носителей заряда на границе области объемного заряда (а, следовательно, чем тоньше слой области объемного заряда) и чем меньше напряжение на переходе.

Таким образом, значение емкости диода С_д определяется режимом его работы. При прямом напряжении С_д =С_диф + С_к при обратном напряжении С_д=С_зар+С_к.

С учетом рассмотренных сопротивлений и емкостей частотные свойства диода можно анализировать с помощью его эквивалентной схемы, приведенной на рис. 2.3, где R_пер — сопротивление p-n-перехода. При прямом смещении перехода R_nep составляет десятые доли ома, и поэтому шунтирующим действием диффузион­ной емкости можно пренебречь.

Совокупность всех этих элементов схемы образует общее сопротивление диода в комплексной форме

Z_д = R_д + jХ_д.

Частотные свойства диода во многом определяются процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда для об­ласти базы. Поэтому, с точки зрения повышения быстродействия, диод должен изготовляться так, чтобы по возможности ускорить процессы изменения объемного заряда неосновных носителей в об­ласти базы или вообще исключить их. Последнего можно добиться при использовании так называемого выпрямительного перехода Шотки. Этот переход образован контактом металл — полупроводник. Соответствующим выбором материалов можно добиться того, что высота потенциального барьера для электронов и дырок в месте контакта будет различной. В результате этого (при прямом смещении) прямой ток диода образуется только за счет дви­жения основных носителей заряда. Неосновные носители заряда из-за высокого потенциального барьера практически не могут перейти из металла в полупроводник. Так, например, при контакте n-полупроводника с металлом ток образуется только за счет движения электронов из полупроводника в металл, а процесс дви­жения дырок из металла в полупроводник отсутствует. Таким образом, в полупроводнике не создается объемный заряд неосновных для него носителей. Отсюда вытекает, что диоды, выполненные на основе перехода Шотки (диоды Шотки), обладают большим быстродействием, чем диоды с р-n-переходом.

Кроме указанного, диоды Шотки отличаются от диодов с р-n-переходом меньшим прямым падением напряжения из-за меньшей высоты потенциального барьера для основных носителей и большей допустимой плотностью тока, что связано с хорошим теплоотводом. Эти преимущества делают предпочтительным использование диодов Шотки при изготовлении мощных высокочастотных выпрямительных диодов.

Следует также отметить, что прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода Шотки из-за меньшего сопротивления ближе к идеальной.

Технология изготовления полупроводниковых диодов. На практике находят применение точечные, плоскостные (сплавные) и диффузионные диоды.

Точечный диод образуется в месте контакта небольшой пластины полупроводника и острия металлической проволоки — пружины. Поэтому линейные размеры перехода меньше его ширины. Для более надежного контакта через переход пропускают импульс тока в несколько ампер, который вплавляет острие металла в по­лупроводник. Происходит диффузия металла в полупроводнико­вую пластину и образуется полусферический р-n-переход (штри­ховая линия на рис. 2.4). Благодаря малой площади диод обладает очень малой емкостью перехода и используется до частот по­рядка сотен мегагерц. Малая площадь перехода определяет также небольшой допустимый ток диода. Точечные диоды обычно выполняют на основе германия.

Типовые параметры этого класса приборов иллюстрируются на примере точечного диода типа Д18: С_д≈1 пФ; r_д≈10 Ом; R_д,_обр≈1 МОм; U_добр≈20 В; _Б ≈50 нc.

Плоскостные сплавные диоды имеют плоский электрический переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше ширины р-n-перехода. Переход в таких дио­дах может выполняться методом сплавления полупроводниковой пластины с металлом. На пластину исходного полупроводника 2 накладывают металл или сплав 1, содержащий донорные или акцепторные примеси (рис. 2.5,а). Затем этот материал нагревают до температуры, достаточной для того, чтобы часть полупроводника растворилась в полученном расплаве (заштрихованная область на рис. 2.5,6). При последующем охлаждении происходит

Рис. 2 5. Структура плоскостного диода до вплавления металла (а) и после его вплавления в пластину полупроводника (б):

1— металл; 2 — полупроводниковая пластина

рекристаллизация исходного полупроводника с примесью вплавленного металла и образуется р-n-переход.

Диффузионные диоды, изготовляются посредством диффузии в полупроводниковую пластину примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазах. Если диффузия примеси проводится через отверстия в защитном слое, нанесенном на поверхности полупроводника, то получают так называемый пленарный р-n-переход.

Диффузионные диоды отличаются от сплавных меньшей соб­ственной емкостью и малым значением постоянной времени. Так, у диффузионного диода КД512А С_Д≈1 ... 2 пФ; _б ≈3 нс.

Следует отметить, что при интегральной технологии в качестве диодов, как правило, используются транзисторы в диодном вклю­чении. Наиболее часто с этой целью используют эмиттерный пере­ход транзистора.

Классификация диодов представлена в табл. 2.1. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые на практике.

Выпрямительный диод, условное графическое обозначение ко­торого приведено на рис. 2.6, 1, использует вентильные свойства р-n-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямитель­ных диодов используют в основном германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ (ЭК), управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном — разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения за счет падения напряжения U_пр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения. Значение U_пр открытого диода не превышает для германиевых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В. Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

I_{пр,cр,mах} — максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;

Таблица 2.1

Классификация диодов

Признак классификации	Наименование диода
Площадь перехода	Плоскостной Точечный
Полупроводниковый материал	Германиевый Кремниевый Арсенид галлиевый
Назначение	Выпрямительный Импульсный Сверхвысокочастотный Стабилитрон (стабистор) Варикап и т. д.
Принцип действия	Лавинно-пролетный Туннельный Диод Шотки Излучающий Фотодиод Диод Ганна

U_{обр,доп} — допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;

f_max — максимально допустимая частота входного напряжения;

U_пр — прямое падение напряжения на диоде при заданном пря­мом токе.

Выпрямительные диоды классифицируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные(I_{пр,cр,mах}<0,3 A), средней мощности (0,3 A< I_{пр,cр,mах}<10 A), большой мощности (I_{пр,cр,mах}>10 A)/

По частоте: низкочастотные (f_mах<10³Гц); высокочастотные (f_mах>10³ Гц).

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выпол­ненные на выпрямляющем переходе металл — полупроводник (дио­ды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с р-n-переходом, напряжение U_np и более высокие частотные характеристики.

Импульсный диод— полупроводниковый диод, имеющий ма­лую длительность переходных процессов и использующий (как и выпрямительный диод) при своей работе прямую и обратную ветви В АХ.

Рис. 2.6. Условные графические обозначения полупроводниковых приборов:

1— выпрямительный и импульсный диод; 2 — стабилитрон н стабистор; 3 — симметричный стабилитрон; 4 — варикап; 5 — туннельный диод; 6 — излучающий диод; 7 — фотодиод: 8 — биполярный транзистор р-n-р-типа; 9 — биполярный транзистор п-р-п типа; 10— полевой транзистор с управляющим р-n-переходом и n-каналом; 11 — полевой транзистор с управ­ляющим р-п переходом и р каналом; 12 — МДП-транзистор с встроенным п-каналом; 13 — полевой транзистор с встроенным р-каналом; 14 — МДП транзистор с индуцированным n-каналом, 15 — МДП транзистор с индуцированным р-каналом; 16 — динистор; 17, 18 — тринистор с управлением соответственно по катоду и аноду, УЭ — управляющий электрод

Длительность переходных процессов в диоде обусловлена перезарядом емкостей С_диф и С_зар. При малых уровнях инжекции основную роль в переходных процессах играет процесс перезаряда барьерной емкости С_зар. При больших уровнях инжекции про­цессы накопления и рассасывания заряда являются превалирую­щими. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром — временем восстановления _вос его обратного сопротивления. Поэтому кроме параметров I_{пр,cр,mах}, U_обр, U_пр характеризующих выпрямительные свой­ства, для импульсных диодов вводится параметр _вос, характеризующий их быстродействие.

Для повышения быстродействия (уменьшения _вос) импульсные диоды изготовляют в виде точечных структур, что обеспечивает минимальную площадь p-n-перехода, а, следовательно, и ми­нимальное значение зарядной емкости С_зар. Одновременно для достижения минимального времени восстановления диодов толщину базы делают как можно меньше.

В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.

Сверхвысокочастотный диод (СВЧ диод) — полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала (до десятков и сотен гигагерц). Сверхвысокочастотные диоды широко применяются в устройствах генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ диапазона, умножения частоты, модуляции, регулирования и ограниче­ния сигналов и т. п. Типичными представителями данной группы диодов являются смесительные (получение сигнала суммы или разности двух частот), детекторные (выделение постоянной состав­ляющей СВЧ сигнала) и переключательные (управление уровнем мощности сверхвысокочастотного сигнала) диоды. Условное графическое обозначение импульсных и СВЧ диодов аналогично обозначению выпрямительных диодов (рис. 2.6,1).

Стабилитрон и стабистор применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Отличие стабилитрона от стабистора заключается в используемой для стабилизации напряжения ветви ВАХ. Как видно из рис. 2.2, б, ВАХ диода имеет участки АВ и CD, на которых значительному изменению тока соответствует незначительное изменение напряжения при сравнительно линейной их зависимости. Для стабилизации высокого напряжения (U>ЗВ) используют обратную ветвь (уча­сток АВ) ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами. Для стабилизации небольших значений напряжений (U<1В например, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами. Условное обозначение стабилитрона и стабистора показано на рис. 2.6,2.

Стабилитроны и стабисторы изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, и, следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а с уменьшением степени легирования кремния - повышается. Напряжение стабилизации лежит в диапазоне от 3 до 180 В.

К основным параметрам стабилитрона относятся: U_CT — номинальное напряжение стабилизации при заданном токе; r_д — дифференциальное сопротивление при заданном токе; I_{ст min} — минимально допустимый ток стабилизации; P_max — максимально допустимая рассеиваемая мощность; температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации (выражается в К^-1), равный в соответствии с (2.3) ТКН=ΔU_ст/(U_стномΔT), где ΔU_ст - отклонение напряжения U_ст от номинального значения U_стном при изменении температуры в интервале ΔT.

В схемах двуполярной стабилизации напряжения применяется симметричный стабилитрон, условное графическое обозначение ко­торого показано на рис. 2.6,3.

Варикап — полупроводниковый диод, действие которого осно­вано на использовании зависимости зарядной емкости С_зар от значения

Рис 2.7 Вольт-фарадная характеристика варикапа (а) и ВАХ туннельного диода (б)

приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 2.7, а) —зависимость емкости варикапа С_е от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости С_в может изменяться от единиц до сотен пикофарад.

Основными параметрами варикапа являются: С_в — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении; К_с — коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости C_B = f(U_обр) и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (Кс = 2...20).

Зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости ТКЕ_В = ΔС_Б/(С_ВΔТ), где ΔС_В/С_В — относительное изменение емкости варикапа при из­менении температуры ΔT окружающей среды.

Условное графическое обозначение варикапа приведено на рис. 2.6,4.

Туннельный диод — занимает особое место среди полупровод­никовых диодов из-за свойственной ему внутренней положитель­ной обратной связи по напряжению и хороших динамических свойств. Его ВАХ имеет участок отрицательного дифференциаль­ного сопротивления (участок CD на рис. 2.7,6). Это объясняется тем, что при очень малых толщинах запорного слоя (10... 10 нм и меньше) наблюдается туннельный переход зарядов из валент­ной зоны в зону проводимости. Туннельный диод, благодаря своей ВАХ, нашел широкое применение в качестве ключевого тензодат-чика. Условное графическое обозначение туннельного диода при­ведено на рис. 2.6, 5.

Излучающий диод— полупроводниковый диод, излучающий из области р-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды; диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие назва­ние ИК-диоды. Принцип действия обоих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала.

Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая анергия. На долю энергии видимого излучения в лучшем случае приходится 10…20%. Поэтому КПД светодиодов невелик.

Исходными материалами для изготовления ИК-диодов являются арсенид и фосфид галлия. Полная мощность излучения этой группы диодов лежит в пре­делах от единиц до сотен милливатт при напряжении на диоде 1,2 ..3 В в пря­мом токе от десятков до сотен миллиампер.

Условное графическое обозначение излучающих диодов показано на рис. 2.6,6.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды — в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.

Фотодиод — полупроводниковый прибор, принцип действия ко­торого основан на использовании внутреннего фотоэффекта — ге­нерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда.

Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток (см. § 3.4). Условное графическое обозначе­ние фотодиода приведено на рис. 2.6,7.

Маркировка полупроводниковых диодов, разработанных после 1964 г., предусматривает шесть символов. Первый символ — буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов спе­циального назначения), указывающая исходный полупроводнико­вый" материал, из которого изготовлен диод: Г (1)—германий, К (2) — кремний, А (3) — GaAS. Второй символ — буква, обозна­чающая подкласс диода: Д — выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды: В — варикапы; С — стаби­литроны и стабисторы; Л — светодиоды. Третий символ - цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов — мощность рассеяния): например, 3 — переключательный, 4—универсальный и т. д. Четвертый и пятый символы - двузначное число, указы­вающее порядковый номер разработки (у стабилитронов - номи­нальное напряжение стабилизации). Шестой символ — буква, обо­значающая параметрическую группу прибора (у стабилитронов — последовательность разработки).

Примеры маркировки диодов:

ГД412А— германиевый (Г), диод (Д), универсальный (4), но­мер разработки 12, группа А;

КС196В — кремниевый (К), стабилитрон (С), мощность рас­сеяния не более 0,3Вт (1), номинальное напряжение стабилизации 9,6В (96), третья разработка (В).

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.