ОСНОВНЫЕ ТИПЫ

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы по многим признакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции. В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь n —р- перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

Точечные диоды имеют малую емкость n - р- перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в сотни пикофарад. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер.

Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющею во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также арсенид галлия ( GaAs) и другие соединения.

Принцип устройства точечного диода показан на рис. 3.7. Тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный п - р- переход полусферической формы. Следовательно, разница между точечными и плоскостными диодами заключается в площади п - р- перехода..

Рис. 3.7 Принцип устройства точечного диода

Германиевые точечные диоды обычно изготовляются из германия n- типа со сравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р- типа работает в качестве эмиттера. Для изготовления кремниевых точечных диодов используются кремний n - типа и игла, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

Плоскостные диоды изготовляются главным образом методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 3.8). В пластинку германия n - типа вплавляют при температуре около 500 °С каплю индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р- типа. Область с электропроводностью р- типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомпого германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область – n типа.

Следует отмстить, что сплавным методом получают так называемые резкие, или ступенчатые, п - р- переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов в переходе.

Рис. 3.8 Принцип устройства плоскостных геманиевых диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным методом (б)

Диффузионный метод изготовления п- р- перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник. Примесное вещество при этом обычно находится в газообразном состоянии. Для того чтобы диффузия была интенсивной, основной полупроводник нагревают до более высокой температуры, чем при методе сплавления. Например, пластинку германия n- типа нагревают до 900 °С и помещают в пары индия. Тогда на поверхности пластинки образуется слой германия р- типа. Изменяя длительность диффузии, можно довольно точно получать слой нужной толщины. После охлаждения его удаляют путем травления со всех частей пластинки, кроме одной грани. Диффузионный слой играет роль эмиттера. От него и от основной пластинки делают выводы. При диффузионном методе атомы примеси проникают на относительно большую глубину в основной полупроводник, и поэтому п - р- переход получается плавным, т. е. в нем толщина области изменения концентрации примеси сравнима с толщиной области объемных зарядов.

Рассмотрим теперь диоды различного назначения.

Выпрямительные плоскостные диоды.Широко распространены низкочастотные выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц (иногда до 50 кГц). Эти диоды применяются в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Иногда их называют силовыми диодами. Низкочастотные диоды являются плоскостными и изготовляются из германия или кремния. Они делятся на диоды малой, средней и большой мощности, что соответствует предельным значениям выпрямленного тока до 300 мА, от 300 мА до 10 А и выше 10 А. Все параметры диодов обычно указываются для работы при температуре окружающей среды 20 ± 5 °С.

Германиевые диоды изготовляются, как правило, вплавлением индия в германий
п- типа. Они могут допускать плотность тока до 100 А/см² при прямом напряжении до
0,8 В. Предельное обратное напряжение у них не превышает 400 В, а обратный ток обычно бывает не более десятых долей миллиампера для диодов малой мощности и единиц миллиампер для диодов средней мощности. Рабочая температура этих диодов от —60 до + 75°С. Если диоды работают при температуре окружающей среды выше 20 °С, то

необходимо снижать обратное напряжение. При пониженном атмосферном давлении или неудовлетворительном охлаждении возможен перегрев диодов. Чтобы не допускать его, следует снижать выпрямленный ток.

Мощные германиевые диоды работают с естественным охлаждением. Они изготовляются на выпрямленный ток до 1000 А и обратное напряжение до 150 В.

Выпрямительные кремниевые диоды в последнее время получили особенно большое распространение. Они изготовляются вплавлением алюминия в кремний n - типа, а также сплава олова с фосфором или золота с сурьмой в кремнии р- типа. Применяется и диффузионный метод. По сравнению с германиевыми кремниевые диоды имеют ряд преимуществ. Предельная плотность прямого тока у них до 200 А/см², а предельное обратное напряжение может быть до 1000 В. Рабочая температура от —60 до +125°С (для некоторых типов даже до + 150 °С). Прямое напряжение у кремниевых диодов доходит до 1,5 В, т.е. несколько больше, чем у германиевых диодов. Обратный ток у кремниевых диодов значительно меньше, чем у германиевых.

Для выпрямления высоких напряжений выпускаются кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпусах, залитых изолирующей смолой. Они бывают рассчитаны на ток до сотен миллиампер и обратное напряжение до нескольких киловольт. Для более удобной сборки различных выпрямительных схем, например мостовых или удвоительных, служат кремниевые выпрямительные блоки. В них имеется несколько столбов, от которых сделаны отдельные выводы. Мощные кремниевые диоды выпускаются на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение от 50 до
1000 В.

К основным стандартизированным параметрам выпрямительных диодов относятся:

Средний прямой ток I_{пр ср}— среднее за период значение прямого тока.

Максимально допустимый средний прямой ток I_{пр ср.mах.}

Средний выпрямленный ток І_вп.ср— среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока).

Максимально допустимый средний выпрямленный ток І_{вп.ср. max}.

Постоянное прямое напряжение U_пр — значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе.

Среднее прямое напряжение І_пр.ср— среднее за период значение прямого напряжения при заданном среднем значении прямого тока.

Постоянное обратное напряжение U_обр— значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении.

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_обр.mах.

Максимально допустимое импульсное обратное напряжение U_{обр.и.mах}.

Постоянный обратный ток І_обр — значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

Средний обратный ток І_обр.ср — среднее за период значение обратного тока.

Выпрямительные точечные диоды.Принцип устройства был уже рассмотрен. Точечные диоды широко применяются на высоких частотах, а некоторые типы и на СВЧ (на частотах до нескольких сотен мегагерц), и могут также успешно работать на низких частотах. Эти диоды используются в самых различных схемах, поэтому их иногда называют универсальными. Германиевые и кремниевые диоды выпускаются с предельным обратным напряжением до 150 В и максимальным выпрямленным током до 100 мА.

Импульсные диоды.Важнейшим параметром, определяющим возможность использования диода при коротких импульсах, является время восстановления обратного сопротивления τ_вос. Для его уменьшения диоды изготовляют так, чтобы емкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Импульсные диоды выпускают на токи в импульсе до нескольких сотен миллиампер и предельные обратные напряжения в несколько десятков вольт.

Рис. 3.9 Принцип устройства мезадиода

Для наиболее коротких импульсов изготовляют одновременно в большом количестве так называемые мезадиоды (от испанского слова «меза» — стол). Сначала на пластинке основного полупроводника диффузионным методом создается слой с другим типом электропроводности. Далее эта пластинка покрывается специальной маской и подвергается травлению. Маска защищает от травления много небольших участков. Именно в этих защищенных областях остаются n - р- переходы малого размера, которые возвышаются над поверхностью пластинки в виде «столиков» (рис. 3.9). Затем пластинка распиливается на отдельные части — диоды. Особенностью мезадиодов является уменьшенный объем базовой области. За счет этого сокращается время накопления и рассасывания носителей в базе. Одновременное изготовление большого числа диодов из одной пластинки обеспечивает также сравнительно малый разброс их характеристик и параметров.

Стабилитроны.вление электрического пробоя, опасное для обычных диодов, находит полезное применение в кремниевых плоскостных диодах, получивших название кремниевых стабилитронов, или опорных диодов.

При изготовлений стабилитронов наиболее, широко используются сплавной и диффузионно-сплавной методы получения р - п переходов. Исходным материалом при изготовлении стабилитрона служит пластинка кремния n- типа. В нее вплавляется алюминий, являющийся акцепторной примесью для кремния. Кристалл с р-n переходом помещается обычно в герметизированный металлический корпус. Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении, соответствующем обратимому электрическому пробою р-n перехода.

Рис3.10 Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона

Следует отметить, что эффект Зинера и лавинный механизм электрического пробояn р-n перехода наблюдаются как у кремниевых, так и у германиевых диодов. Однако выделение тепла, сопровождающее эти процессы, приводит для германия к дополнительной тепловой генерации носителей заряда, искажающей картину лавинного пробоя. Поэтому в качестве материала для полупроводниковых стабилитронов используется кремний, обладающий более высокой температурной стабильностью.

Важнейшей характеристикой стабилитрона является его вольт-амперная характеристика (рис. 3.10). В прямом направлении вольт-амперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов. Поэтому при изменении в широких пределах тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых диодов и позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения.

Поскольку электрический пробой наступает при сравнительно низком обратном напряжении, мощность, выделяющаяся в р - n переходе даже при значительных обратных токах, будет небольшой, что предохраняет р - n переход от теплового (необратимого) пробоя. Превышение предельно допустимого обратного тока стабилитрона приводит, как и в обычных диодах, к выходу прибора из строя.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

Напряжение стабилизации U_ст — падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока.

■Минимальный ток стабилизации І_ст.min — такое значение тока через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.

Максимальный ток стабилизации І_ст.mах — наибольшее значение тока через стабилитрон, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения.

Дифференциальное сопротивление R_ст— отношение приращения напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации

R_ст = ΔU_ст / ΔІ_ст

Величина R_ст характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока пробоя.

Максимальная мощность рассеивания Р_max— наибольшая мощность, выделяющаяся в
р-n переходе, при которой не возникает тепловой пробой перехода.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации α_ст — отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (выражается в % / град)

α_ст= ΔU_ст / ( U_ст ΔТ)

Наиболее простая, но достаточно распространенная схема стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне приведена на рис. 3.11, а стабисторе рис 3.12. Схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора R_д и стабилитрона VD. При изменении питающего напряжения U_вх напряжение на стабилитроне и на нагрузке R_н изменяется незначительно, в чем и выражается стабилизирующее действие схемы.

Рис. 3.11. Схема стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне

Стабисторы.Это полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжения мало зависит от тока в некоторых его пределах. Как правило, стабисторы изготовляются из кремния и имеют напряжение стабилизации в среднем около 0,7 В. Ток стабисторов обычно может быть от 1 мА до нескольких десятков миллиампер. Для получения стабильного напряжения в единицы вольт соединяют последовательно несколько стабисторов. Особенность стабисторов — отрицательный температурный коэффициент напряжения,
т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается.

Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положительный температурный коэффициент напряжения.

Рис. 3.12 Схема стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабисторе

Варикапы.Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная ёмкость, Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной ёмкости, управляемые не механически, а электрически, т. е. изменением обратного напряжения.

Основное применение варикапа — электронная настройка колебательных контуров. На
рис. 3,13, а приведена схема включения варикапа в колебательный контур. Контур образован индуктивностью L и емкостью варикапа С_в. Разделительный конденсатор С_р служит для того, чтобы индуктивность L не закорачивала варикап по постоянному току. Емкость конденсатора С_р должна быть в несколько десятков раз больше емкости варикапа.

Управляющее постоянное напряжение U подается на варикап с потенциометра R2 через высокоомный резистор R1. Перестройка контура осуществляется перемещением движка потенциометра R2.

Данная схема имеет существенный недостаток — напряжение высокой частоты влияет на варикап, изменяя его емкость. Это ведет к расстройке контура. Включение варикапов по схеме, показанной на рис. 3.13, б, позволяет значительно уменьшить расстройку контура при действии переменного напряжения. Здесь варикапы включены по высокой частоте последовательно навстречу друг другу. Поэтому при любом изменении напряжения на контуре емкость одного варикапа увеличивается, а другого уменьшается. По постоянному напряжению варикапы. включены параллельно.

Рис. 3.13. Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве конденсатора переменной емкости

Параметры варикапов:

Номинальная емкость С_ном — емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения (обычно U_см= 4 В).

Максимальная емкость С_max — ёмкость варикапа при заданном напряжении смещения.

Минимальная емкость C_min — ёмкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения.

Коэффициент перекрытия К_с— отношение максимальной ёмкости диода к минимальной.

Добротность Q— отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь, измеренное на номинальной частоте при температуре 20°С.

Максимально допустимое напряжение U_max— максимальное мгновенное значение переменного напряжения, обеспечивающее заданную надежность при длительной работе.

Температурный коэффициент емкости. (ТКЕ) — отношение относительного изменения ёмкости при заданном напряжении к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.

Максимально допустимая мощность P_max — максимальное значение мощности, рассеиваемой на варикапе, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе.