4.5. Напівпровідникові діоди

Напівпровідникові діоди являють собою напівпровідниковий прилад з одним р - п-переходом і двома виводами. Класифікація та умовні позначення діодів подані на рис. 4.7.

Рис. 4.7 Класифікація напівпровідникових діодів

Всі напівпровідникові діоди можна розподілити на два класи: точкові та площинні. Точкові діоди утворюють вплавленням вістря сталевої дротинки до напівпровідника р-типу. При цьому утворюється зона з електропровідністю р-типу. Площа контакту мала, тому малим є і струм таких діодів. З тої ж причини мала і ємність між електродами таких діодів, що дозволяє використовувати їх для надвисоких частот (НВЧ-діоди). В основному точкові діоди використовують для випрямлення малих струмів.

В площинних діодах р – п перехід утворюється двома напівпровідниками різного типу електропровідності. Площа таких переходів у силових діодах може досягати декількох квадратних сантиметрів. Вивід від р-структури діода називають анодом, а вивід від структури п-типу називають катодом. Розглянемо властивості окремих груп площинних діодів.

Випрямні напівпровідникові діоди призначені для випрямлення змінного струму. Вольт-амперна характеристика (ВАХ) такого діода якісно подібна до показаної на рис. 4.3 характеристики р - п-переходу. Якщо скористатися однаковим масштабом струмів і напруг для прямого і зворотного напрямків, ВАХ діода буде мати вигляд, показаний на рис. 4.8.

З рисунка видно, що в прямому напрямку опір діода , а в зворотному напрямку він безмежно великий. Цю основну властивість напівпровід­никового діода, - пропускати струм у прямо­му і не пропускати в зворотному, - викорис­товують для випрямлення змінного струму спеціальними пристроями - випрямлячами. Основними параметрами випрямних діодів, які дозволяють правильно обрати діод у конкрет­них пристроях є:

• максимально допустимий середній (за період) прямий струм величина якого визна­чається допустимим нагрівом приладу;

• зворотна імпульсна напруга U_зв.і, яка періодично повторюється і величина якої звичайно складає 0,7 напруги пробою, ;

• імпульсна пряма напруга, - пікове значення прямої напруги на діоді для заданого значення імпульсу прямого струму;

• максимальний зворотний струм, що тече через діод при наявності максимальної допустимої зворотної напруги;

• максимальна потужність Р_тах, яку спроможний розсіювати діод.

Рис. 4.8 Вольт-амперна характеристика діода

Випрямні діоди поділяються на германієві та кремнієві. Більш розповсюджені кремнієві діоди, які мають більшу граничну температуру нагрівання ніж германієві (120÷150 °С проти 55÷85 °С), менші зворотні струми і більші допустимі зворотні напруги. Але кремнієві діоди мають більшу пряму напругу (порядка 1 В проти 0,3 В у германієвих). За потужністю випрямні діоди поділяються на діоди малої потужності (  0,3 А), середньої потужності (0,3   10 А) і великої потужності з прямим струмом від 10 до 1000 А і більше.

Для отримання більшої зворотної напруги діоди можна з'єднувати послідовно. Промисловість випускає діодні стовпи з послідовним сполученням від 5 до 50 діодів із зворотною напругою 2÷40 кВ.

Випускаються і готові випрямні мости на кремнієвих діодах для безпосереднього використання у випрямлячах. Для збільшення прямого струму допустиме й паралельне сполучення діодів.

Стабілітрони - це напівпровідникові діоди, які працюють на зворотній частині ВАХ у зоні електричного пробою. Якщо напруга електричного пробою низька, то потужність, яка виділяється на ділянці 4 ВАХ р – п – переходу (рис. 2.3), також невелика і можлива тривала робота приладу в такому режимі. Робочою ділянкою ВАХ стабілітрона саме і є ділянка зворотної характеристики, показана на рис. 2.9, а. Під час зміни струму через стабілітрон від I_{ст тin} до I_{сm тах} напруга на стабілітроні незначно зростає на 2∆U. Середньому значенню струму стабілітрона I_ст відповідає напруга стабілізації U_ст. Можливі відхилення від напруги стабілізації складають звичайно ∆U = (0,05 ÷ 0,2) U_ст. Мінімальні і максимальні робочі струми напівпровідникових стабілітронів дорівнюють І_ст = 1 ÷ 10 мА, а мА. Напруга стабілі­зації U_ст може знаходитись у межах U_ст = 1 ÷ 1000 B. Але найчастіше в електронних пристроях систем автоматизації застосовуються стабілітрони з B і з мА. Застосовуються і більш потужні стабілітрони, наприклад, Д815, які мають В і струм А.

Стабілітрони використовують у параметричних стабілізаторах напруги. Схема такого однокаскадного стабілізатора показана на рис. 2.9, б. Паралельно до резистора навантаження R під'єднано стабілітрон VD. Опір баластного резистора R_б вибирається так, щоби середньому значенню напруги U джерела живлення відповідало знаходження стабілітрона в точці з координатами І_ст, U_ст. Тоді R_б = (U - U_ст)/(I_ст + І_HB). Тут I_н - струм у навантаженні R_HB. Згідно з другим законом Кірхгофа для схеми рис. 4.9, б можна записати рівняння:

.

Рис. 4.9 Схема ввімкнення стабілітрона та його ВАХ

Із збільшенням (зменшенням) напруги джерела U буде різко збільшуватись (зменшуватись) струм через стабілітрон I_ст, внаслідок чого буде різко збільшуватись (зменшуватись) спадок напруги на баластному опорі R_б, а напруга на стабілітроніі навантаженні R_HB змінюватиметься в незначному діапазоні. Для забезпечення працездатності стабілізатора необхідно, щоби струм навантаження І_HB був меншим від робочого струму стабілітрона І_ст.

Тунельні діоди мають лінійну ділянку ВАХ поблизу нульового значення напруги (приблизно від -0,05 до +0,05 В) і ділянку з від'ємною диференційною електропровідністю при подальшому збільшенні напруги. Застосовуються в генерато­рах високочастотних коливань і інших електронних пристроях.

Повернені діоди мають ВАХ, інверсну до звичайної, але з лінійною ділянкою поблизу нуля в оберненому напрямку. В прямому ж напрямку вони закриті до U_пр  0,3 + 0,55, а потім відкриваються. Тобто вони мають вентильні властивості в зоні низьких напруг, де звичайні діоди вентильних властивостей не мають.