Основные типы полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в р-n переходе.

Первую группу составляют выпрямительные диоды, для которых основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:

v во много раз меньшее (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении;

v высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000 … 1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100 … 400 В;

v работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от –60° до +150° С, германиевых – лишь от –60° до +85° С (при температуре выше +85° С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток и может привести к потере диодом вентильных свойств).

Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды, т.к. их сопротивление в прямом направлении в 1,5 …2 раза меньше, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.

Основные электрические параметры выпрямительных диодов связаны с вентильным эффектом: I_{ПР МАХ} – максимальный прямой ток,
U_ПР – падение напряжения при прямом смещении и заданном прямом токе; I_ОБР – ток через диод при обратном смещении и заданном U_ОБР;
U_{ОБР МАХ} – максимальное обратное напряжение; Df – диапазон частот, в пределах которого выпрямленный ток не уменьшается ниже заданного значения.

По значению выпрямленного тока выпрямительные диоды делят на диоды малой (I_ПР < 0,3 А), средней (0,3 А < I_ПР < 10 А) и большой
(I_ПР > 10 А) мощности.

Вторая группа диодов – высокочастотные и импульсные – также используют вентильный эффект, но это маломощные приборы, работающие при высоких частотах или в быстродействующих импульсных устройствах, поэтому для них существенна еще и инерционность – длительность процессов при переходе диода из открытого состояния в закрытое и обратно. Инерционность полупроводниковых диодов связана с накоплением неравновесных носителей зарядов вблизи р-n перехода и величиной их барьерных емкостей. Для уменьшения инерционности диодов необходимо уменьшать барьерные емкости и время жизни неравновесных носителей заряда. Поэтому основными признаками, отличающими высокочастотные и импульсные диоды от других видов, являются малое время жизни неравновесных носителей зарядов и малая площадь р-n перехода.

В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь р-n перехода, такие же, как и толщина самого перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше его толщины. Точечные диоды имеют малую емкость р-n перехода (обычно менее 1 пФ). Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и более. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер и более.

Диоды третьей группы – стабилитроны. Они работают в режиме электрического пробоя, который наблюдается при обратном смещении диода. Материалы, используемые в стабилитронах, имеют высокую концентрацию примесей, что приводит к тому, что напряженность электрического поля в их р-n переходах значительно выше, чем у остальных типов диодов. За счет этого при относительно небольших обратных напряжениях в р-n переходе возникает электрический пробой. Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. Обычно у низковольтных стабилитронов более вероятен туннельный пробой, а у высоковольтных – лавинный. В обоих случаях сильного нагрева р-n перехода не происходит, поэтому теплового пробоя не наступает.

На рис. 4.6 приведено УГО стабилитрона и его ВАХ. Основные электрические параметры стабилитронов следующие: U_СТ – номинальное значение напряжения стабилизации, которое колеблется от нескольких вольт до десятков вольт; I_СТ – номинальный ток стабилизации – значение тока, при котором определяются параметры стабилитрона; I_{СТ MIN} – минимальный ток стабилизации; I_{СТ МАХ} – максимальный ток стабилизации; r_СТ – дифференциальное сопротивление –

отношение приращения напряжения на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока (при заданном токе стабилизации); температурный коэффициент напряжения стабилизации a _{U СТ} – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды.

В диодах четвертой группы используют емкостные свойства р-n перехода. В связи с тем, что р-n переход представляет собой область, обедненную носителями зарядов, то его можно рассматривать как своеобразный плоский конденсатор, емкость которого определяется шириной р-n перехода.

Если к диоду приложить обратное напряжение и изменять его величину, то ширина р-n перехода также будет изменяться, что эквивалентно изменению его емкости.

Такое свойство позволяет использовать полупроводниковый диод в качестве прибора с электрически управляемой емкостью – варикапа.

На рис. 4.7 приведено УГО варикапа.

Основными электрическими параметрами варикапа являются: С_НОМ номинальная емкость варикапа – емкость при номинальном напряжении смещения; С_МАХ – максимальная емкость варикапа при минимальном напряжении смещения; С_MIN- минимальная емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения; Q_НОМ – номинальная добротность варикапа – отношение его реактивного сопротивления к полному сопротивления потерь при номинальном напряжении смещения на заданной частоте; a_СВ – температурный коэффициент емкости – относительное изменение емкости варикапа при заданном напряжении смещения при изменении температуры окружающей среды на 1°С в заданном диапазоне температур.

Кроме рассмотренных выше диодов в электронных устройствах широко используют диоды Шотки, основным элементом которых является электронный переход металл - полупроводник с нелинейной ВАХ, приведенной на рис. 4.8.

Существенное отличие этого диода состоит в том, что в них прохождение тока осуществляется основными носителями зарядов и не связано с инжекцией неосновных носителей и их рассасыванием, что обеспечивает значительно лучшие частотные характеристики и повышает быстродействие в импульсном режиме.

Это свойство позволило использовать диоды Шотки в быстродействующих интегральных микросхемах.

Кроме того, сопротивление барьера Шотки при прямом напряжении меньше прямого сопротивления р-n перехода, поэтому прямые ветви ВАХ диода Шотки и диода с р-n переходом отличаются.

Это приводит к тому, что падение напряжения на диодах с переходом Шотки оказывается существенно ниже падения напряжения на диодах с р-n переходом, а это, в свою очередь, означает, что выпрямители, в которых используются диоды Шотки, имеют более высокий КПД и через них могут протекать более высокие токи, т.е. их целесообразно использовать в мощных выпрямителях.

Если в диоде использовать р-n переход, созданный на границе сильно легированных областей (в тысячи раз больших, чем у обычных диодов), то ширина р-n перехода оказывается очень малой (0,001 мкм вместо 1 мкм).

Диоды с высокой степенью легирования называются туннельными.

УГО и ВАХ туннельного диода приведены на рис. 4.9. В туннельном диоде не наблюдается вентильного эффекта; в области небольших прямых напряжений на ВАХ имеется так называемый «падающий» участок, который характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельные диоды используются в схемах генераторов.

Система обозначений (маркировок) приведена в Приложении 2, а значения параметров в Приложении 3.