Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — это прибор, имеющий один p-n переход и два внешних вывода. К полупроводниковым диодам относятся: выпрямительные диоды низкой и высокой частоты, стабилитроны, туннельные диоды, фотодиоды и др.

Выпрямительные диоды, предназначенные для преобразования переменного тока пониженной частоты в постоянный, подразделяются на собственно выпрямительные диоды (средний выпрямительный ток I_ср.< 10 А) и силовые вентили (I_ср > 10 А).

На рис. 4, а показана структура диода, а на рис. 4, б — его обозначение на электрических схемах. Электрод, подключенный к области р, называется анодом, а электрод, подключенный к области п — катодом.

Рис. 4. Структура диода (а); обозначение диода на электрических схемах (б)

К основным параметрам диода относятся:

- падение напряжения U_пр. на диоде при определенном значении прямого тока;

- обратный ток I_обр. при определенном значении обратного напряжения;

- среднее значение прямого тока I_пр.ср.;

- импульсное обратное напряжение U_обр.и.

Типовая вольтамперная характеристика (ВАХ) диода показана на рис. 5.

Маркировка полупроводниковых диодов содержит обозначение из четырех элементов (четвертый элемент, указывающий на конструктивное оформление — буква, может отсутствовать). Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный полупроводниковый материал: Г или 1 — германий или его соединения; К или 2 — кремний или его соединения; А или 3 — соединения галлия. Второй элемент (буква) указывает класс полупроводникового прибора: Д — диод; И — туннельный диод; С — стабилитрон и т.д.

Рис. 5. Вольтамперная характеристика силового диода

Третий элемент – трехзначное число, обозначающее тип прибора. Например: диод КД212А является кремниевым выпрямительным диодом средней мощности, в пластмассовом корпусе на металлической подложке.

Стабилитрон (опорный диод) — полупроводниковый диод, у которого на обратной ветви ВАХ имеется участок, расположенный в области лавинного пробоя. Этот рабочий участок стабилитрона характеризуется слабой зависимостью напряжения от тока (рис. 6).

Рис. 6. ВАХ стабилитрона (а); условное графическое обозначение стабилитрона (б)

В качестве материала для изготовления р-п перехода стабилитрона используется кремний, т.к. кремниевые р-п переходы имеют небольшие обратные токи, а переход в область пробоя резкий, проходящий практически параллельно оси токов. Прямая ветвь ВАХ стабилитрона почти не отличается от прямой ветви выпрямительного диода.

Стабилитроны кроме стабилизации напряжения могут быть использованы как ограничители в импульсных схемах.

Основными параметрами стабилитронов являются:

- напряжение стабилизации U_ст.;

- допустимый ток через стабилитрон I_ст.доп. ;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН).

Условное обозначение стабилитрона включает: материал проводника (К — кремний); обозначение подкласса стабилитронов, например, буква С; цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации; букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например: стабилитрон КС196Б является кремниевым стабилитроном, прецизионным (высокоточным), маломощным, напряжение стабилизации 9,6 В, в герметичном металлическом корпусе со стеклянным изолятором.

Для стабилизации напряжений (0,7-1,9) Вприменяют специальные полупроводниковые приборы, называемые стабисторами, которые используют прямую ветвь ВАХ.

Туннельный диод — полупроводниковый прибор с отрицательным сопротивлением, характерной особенностью которого является малая чувствительность к изменению внешней температуры.

Отличие туннельных диодов заключается в очень высокой концентрации примесей, тонком электронно-дырочном переходе в туннельном прохождении тока через р-п переход.

Большое количество примесных атомов образует достаточно много свободных энергетических состояний. Поэтому процесс прохождения тока в сильно легированных полупроводниковых веществах мало зависит от температуры и внешнего облучения. Наличие участка отрицательного сопротивления на ВАХ туннельного диода является его особенностью (рис. 7). В обычном сопротивлении, которое можно назвать положительным, при увеличении величины напряжения увеличивается ток и, соответственно, количество энергии, превращающейся в тепло. В отрицательном сопротивлении увеличение напряжения приводит к уменьшению тока и уменьшению рассеиваемой энергии. Например, в колебательном контуре всегда имеются потери, из-за этого колебания затухают. Если же параллельно контуру включать отрицательное сопротивление, то оно будет способствовать восполнению потерь энергии в контуре, причем синхронно с изменением напряжения на контуре. В этом состоит принцип действия большинства устройств, использующих полупроводниковые диоды с туннельным эффектом.

Рис. 7. ВАХ туннельного диода (а); условное графическое обозначение туннельного диода на электрических схемах (б)

Область применения туннельных диодов в электронной аппаратуре значительно расширяется. Это определяется рядом их преимуществ. Туннельные диоды практически безынерционны, имеют высокую температурную стабильность, мало чувствительны к радиоактивному облучению, так как концентрация носителей тока очень велика и относительное изменение их количества под действием энергии, сообщенной радиоактивным излучением, оказывается несущественным.

Фотодиод представляет собой диод с открытым р-п переходом. Световой поток Ф, падающий на открытый р-п переход, приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате увеличивается обратный ток (рис. 8). Схема включения фотодиода показана на рис. 9. Напряжение на нагрузке определяется как разность напряжения источника питания и напряжения на фотодиоде: U_н = Е – U_ф.д.

Рис. 8. ВАХ фотодиода (а); условное графическое обозначение диода (б)

Рис. 9. Схема включения фотодиода

Фотодиоды находят применение в качестве приемников оптического излучения. Основными параметрами фотодиодов являются: диапазон длин волн принимаемого изучения, интегральная чувствительность и темновой ток. Большинство фотодиодов имеет интегральную чувствительность в пределах (10^-3 − 1) мкА/лм. Темновой ток зависит от площади р-п перехода и обычно имеет значение (10^-2 − 1) мкА. В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды используются совместно с усилителем.

Светоизлучающие диоды (рис. 10, а)преобразуют электрическую энергию в световую за счет рекомбинации (объединения) электронов и дырок. В обычных диодах процесс рекомбинации происходит с выделением тепла, а в светодиодах преобладает рекомбинация с излучением света. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот (рис. 10, б). Для изготовления светодиодов применяют фосфид галлия (GaP)и карбид кремния (SiC), а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GaAlA₃), или галлия, мышьяка и фосфора (GaA₃P). Диоды инфракрасного (ИК) излучения изготавливают из арсенида галлия (GaAs).

Рис. 10. Спектральные характеристики излучения светодиодов

(а); условное графическое изображение светодиода (б); условное

графическое изображение двухкристального светодиода (в)

Германий и кремний непригодны для изготовления светодиодов, так как у них ширина запрещенной зоны слишком мала (зона, где электроны не могут находиться).

Светодиоды широко используются в бытовой радиоэлектронной аппаратуре в качестве индикаторов, ИК-диоды используются в телевизионных пультах дистанционного управления, охранных системах, датчиках объема, в портах передачи данных, например, в ИК-порте сотового телефона.

Для сигнализации о состоянии автоматического процесса, степени готовности к работе аппаратуры, логическом уровне напряжения и в раде других практических случаев, часто используют двухкристальные светодиоды (рис. 10, в).