Классификация полупроводниковых диодов. Условное буквенное обозначение

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами. Основу рассматриваемых ниже полупроводниковых диодов составляет полупроводниковая диодная структура с электронно-дырочным переходом.

Полупроводниковые диоды классифицируются по различным признакам: по типу конструкции перехода и технологии его изготовления, по частоте, по мощности, по назначению и т.д. Наиболее широкое распространение получила система классификации диодов по назначению или по областям применения.

В соответствии с классификацией по назначению различают следующие виды полупроводниковых диодов:

- выпрямительные диоды;

- высокочастотные (универсальные) диоды;

- импульсные диоды;

- варикапы;

- стабилитроны и стабисторы;

- туннельные и обращенные диоды и др.

В перечисленных диодах используются те или иные свойства диодной структуры с электронно-дырочным переходом. Например, в выпрямительных диодах используется свойство односторонней проводимости, в стабилитронах – свойство электрического пробоя перехода, в варикапах - емкость перехода и т.д. Полупроводниковые диоды и режимы их эксплуатации характеризуются параметрами, общими для подавляющего большинства диодов, и параметрами, характеризующими свойство диода в зависимости от его назначения. Общие параметры были рассмотрены ранее применительно к диодной структуре, являющейся базой для всех рассматриваемых диодов.

Система условного буквенного обозначения диодов состоит из четырех элементов.

Первый элемент (буква или цифра – для приборов специального назначения, отличающихся повышенной надежностью и устойчивостью к воздействию температуры и повреждающих внешних факторов – радиации и пр.) указывает на вид полупроводникового материала 1(Г) германий, К(2) – кремний, А(3) – соединения галлия, И(4) – соединения индия.

Второй элемент (буква и цифра или две буквы) показывает подкласс и группу прибора – выпрямительные - “Д” , стабилитроны – “С” и др.

Третий элемент (трехзначное число) характеризует назначение и номер разработки прибора.

Четвертый элемент указывает подгруппу прибора по значению его основных параметров (специальные параметры прибора).

2. Выпрямительные и универсальные (высокочастотные) диоды

Выпрямительные диоды. Основное назначение выпрямительных диодов – преобразование переменного тока в ток одного (прямого) направления. Они применяются в выпрямителях, преобразующих переменный ток промышленной частоты (до 200 кГц) в постоянный. Кроме того, диоды используются также в импульсных устройствах, в устройствах, предназначенных для ограничения величин сигналов, устройствах для преобразования сигналов и т.д. Условное графическое изображение диода показано на рис.1.

Выпрямительные диоды в большинстве случаев являются плоскостными, обеспечивающими получение выпрямленных токов необходимой величины (при допустимой плотности тока через переход до 2 А/мм²). Получающаяся при этом большая емкость перехода в связи с относительно невысокими рабочими частотами существенного влияния на работу диода не оказывает. Для изготовления выпрямительных диодов широко используются диодные структуры из кремния, имеющие по сравнению с германиевыми меньший обратный ток, более высокую максимально допустимую температуру окружающей среды, большее значение максимально допустимого обратного напряжения (до 1500 В) и меньшую цену. Однако в низковольтных выпрямителях в ряде случаев выгоднее оказываются германиевые диоды, так как они имеют меньшее падение напряжение при прямом включении (до одного вольта против двух у кремниевых); при этом максимально допустимое обратное напряжение у германиевых диодов составляет 400 – 500 В.

Выпрямительные диоды малой мощности ( 0,3 А) рассеивают выделяемую в них теплоту своим корпусом и монтируются в аппаратуре с помощью гибких выводов. Диоды на большие выпрямленные токи снабжаются теплоотводящими элементами (радиаторами и пр.) и в аппаратуре размещаются на массивных теплоотводящих основаниях. Мощные диоды (вентили) могут быть изготовлены на токи в сотни и даже тысячи ампер. В этих случаях для теплоотвода используют принудительное охлаждение – воздушное или жидкостное.

Для достижения требуемых значений выпрямленных токов и величин максимально допустимых обратных напряжений применяют соответственно параллельное и последовательное включение диодов, конструктивно образуя так называемые выпрямительные столбы и блоки.

Специфическими параметрами электрического режима выпрямительных диодов являются:

- прямой ток I_пр. (или средний за период прямого напряжения прямой ток I_пр.ср.);

- прямое напряжение при заданном токе I_пр (или при токе I_пр.ср );

- максимально допустимое постоянное (или импульсное) обратное напряжение U_обр.max (или соответственно U_{обр.и.max});

- обратное среднее напряжение U_обр.ср;

- обратный средний ток I_обр.ср;

- средняя рассеиваемая мощность диода Р_ср.Д.

Важным параметром выпрямительного диода является тепловое сопротивление переход - окружающая среда (или переход – корпус ).

Пример условного буквенного обозначения (УБО).

2Д203А – кремниевый выпрямительный диод специального назначения. Параметры электрического режима: I_пр= 10 А, I_обр = 3 мА, U_обр.max= 600 В, = 5 кГц, сопротивление = 2,5 К/Вт.

Универсальные (высокочастотные) диоды предназначены для работы на высоких частотах (десятки – сотни мегагерц) в детекторах высокочастотных колебаний, модуляторах, преобразователях и умножителях частоты, а также могут использоваться в качестве ограничителей, переключающих элементов, нелинейных резисторов и др. Условное графическое обозначение такое же, как у выпрямительных диодов.

Высокочастотные диоды изготавливаются на основе диодных структур, обеспечивающих в первую очередь небольшую площадь перехода и малое время жизни неосновных носителей заряда (небольшие барьерную и диффузионную емкости) – точечных, микросплавных, эпитаксиальных и эпитаксиально-планарных и др.

Относительно малая площадь р – n перехода и условия теплоотвода ограничивают параметры электрического режима большинства высокочастотных диодов значениями: I_пр.max 150 мА, U_обр.max 150 В, Р_ср.max 30 мВт. Барьерная емкость высокочастотных диодов обычно не превышает 1пФ.

Пример условного буквенного обозначения.

1Д402А – германиевый высокочастотный диод специального назначения. Параметры электрического режима: I_пр.max = 30 мА, I_обр 0,1 мА, U_обр.max= 15 В, максимальная частота = 200 МГц. Барьерная емкость диода - 0,8 пФ.

3. Импульсные диоды

Импульсные диоды – это полупроводниковые диоды, имеющие малую длительность переходных процессов и предназначенные для применения в импульсных режимах работы. Импульсные диоды применяют в качестве ключевых и управляемых резистивных элементов в устройствах, работающих вплоть до наносекундного диапазона. Условное графическое обозначение такое же, как у выпрямительных диодов.

В качестве импульсных диодов используются разнообразные конструкции точечных, микросплавных и плоскостных диодов, быстродействие которых достигается путем подбора легирующих примесей, уменьшающих время жизни неосновных носителей заряда (снижение диффузионной емкости), уменьшения площади перехода (снижение барьерной емкости), использования различных технологических способов, а также применения других видов контактов твердых тел, например, полупроводника с металлом.

Среди импульсных диодов, в которых реализуются технологические способы повышения быстродействия, большую группу составляют диоды с р – n переходом, полученным методом диффузии, и имеющие неравномерное распределение концентрации примеси в базе (рис.2), – так называемые мезадиоды, планарные и эпитаксиально-планарные диоды. Слабо связанные с донорами электроны диффундируют в сторону меньшей концентрации электронов (в сторону перехода), оставляя вдали от него нескоменсированный положительный заряд ионов (доноров). В результате в базе диода возникает электрическое поле, вектор напряженности которого направлен в сторону перехода. При включении перехода в прямом направлении инжектированные в базу дырки тормозятся этим полем и накапливаются у границ перехода. Поэтому такие диоды получили название диодов с накоплением заряда (ДНЗ). При переключении перехода с прямого направления на обратное дырки, сконцентрировавшиеся около перехода, быстро экстрагируются в эмиттер диода, т.е. время переключения диода в обратном направлении сокращается.

Большее быстродействие достигается в диодах с барьером Шоттки, основой которых является выпрямляющий

Рис.2

контакт металла с полупроводником. В отличие от р – n

перехода ток в таком диоде создается основными носителями заряда, процессы накапливания и рассасывания носителей заряда отсутствуют, а инерционность диодов определяется емкостью выпрямляющего перехода, которая может быть меньше 0,01 пФ. Поэтому время переключения оказывается весьма малым (порядка единиц пикосекунд).

Особую группу импульсных диодов составляют p – i – n диоды, применяющиеся для коммутации (переключения) электрических цепей в диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Структура этих диодов в отличие от диодов с р – n переходом содержит между низкоомными областями с р- и n-проводимостью высокоомный i –слой c собственной или слабо выраженной проводимостью определенного типа. При включении диода в прямом направлении происходит инжекция носителей заряда в i –слой, что приводит к уменьшению сопротивления структуры в целом. При обратном включении носители заряда экстрагируются из i –слоя и сопротивление структуры возрастает. Емкость диода при обратном включении не зависит от напряжения, так как определяется шириной i –слоя. Введение i –слоя позволяет уменьшить емкость перехода и увеличить допустимое обратное напряжение, а, следовательно, и максимальную мощность высокочастотных колебаний, выделяемых на включенном в обратном направлении переходе. Мощность коммутируемых p – i – n диодами может достигать сотен киловатт в импульсе.

Основными параметрами, характеризующими свойства импульсного диода, являются:

1. Время восстановления обратного сопротивления , представляющего собой интервал времени от момента подачи обратного импульсного напряжения до момента, когда обратный ток диода уменьшится до заданного значения. По времени восстановления импульсные диоды подразделяются на миллисекундные ( > 0,1 мс), микросекундные ( 0,1мс > > 0,1мкс) и наносекундные ( < 0,1 мкс).

2. Время установления прямого сопротивления - это интервал от начала импульса прямого тока до момента, когда напряжение на диоде упадет до 1,2 установившегося значения

Параметры импульсов сигналов, при которых производят измерения времени и ,указываются в технических условиях и справочных данных на импульсный диод.

3. Максимальное импульсное импульсное сопротивление , определяемое отношением величины максимального импульсного напряжения на диоде к величине импульса тока через него.

4. Максимальный ток восстановления – наибольший обратный ток через диод после переключения напряжения на нем с прямого направления на обратное.

Импульсные диоды в ряде случаев могут быть использованы как высокочастотные (универсальные).

Пример условного буквенного обозначения.

2Д509А – германиевый имульсный диод специального назначения. Параметры электрического режима: максимально допустимый импульсный прямой ток I_пр.иmax = 1,5 А; I_обр 0,1 мА, максимально допустимое обратное напряжение U_{обр и.max}= 70 В, время = 4 нс (при прямом токе 10 мА).

4. Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Варикапы широко применяются в системах автоматической подстройки частоты и частотной модуляции, умножителях и преобразователях частоты, параметрических усилителях и др. Варикапы, применяемые для параметрического усиления, для умножения, деления и преобразования частоты, называют параметрическими диодами (или варакторами). Варикапы изготавливаются на основе диодных структур – сплавных, эпитаксиальных, эпитаксиально-планарных, мезаэпитаксиальных и др.

Условное графическое обозначение варикапа показано на рис.3.

Зависимость емкости варикапа от напряжения обратного включения определяется вольт-фарадной характеристикой (рис.4).

Пределы изменения емкости варикапа характеризуются величинами и соответственно при минимально возможном и максимально допустимом напряжениях включения, а емкость, определенная при номинальном напряжении – номинальная , как показано на рис.4.

Поведение варикапа при малом сигнале в диапазоне частот описывается упрощенной эквивалентной схемой, составленной без учета индуктивности выводов и емкости корпуса (рис.5а), которая на низких частотах принимает вид на рис.5б.

Основными специальными параметрами варикапа являются:

1. Номинальная емкость варикапа , измеренная при заданном обратном напряжении , которая для различных варикапов может составлять 10^-1 – 10³ пФ.

2. Коэффициент перекрытия емкости = / , имеющий значение от трех до десяти.

3. Добротность , которая определяется отношением реактивного сопротивления к сопротивлению потерь. Она может принимать значения 20 -100 и обычно не превышает 200.

Пример условного буквенного обозначения.

2В109А – кремниевый варикап специального назначения. Параметры электрического режима: = 8 0 16 пФ при = 3 В, =4 -6, = 300 при =3 В и частоте = 50 МГц.

5. Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроны. Стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном включении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения. Стабилитроны в основном применяются для стабилизации напряжения. Помимо этого они используются для формирования импульсов, преобразования сигналов, переключения электрических цепей, защиты элементов схем от перегрузок, в качестве источников шумов и т.п. Стабилитроны изготавливаются на основе диодных структур – сплавных, диффузионных, планарных, эпитаксиальных и др.

Условное графическое обозначение стабилитрона показано на рис.6.

Основной режим работы стабилитрона характеризуется использованием участка обратной ветви ВАХ кремниевой диодной структуры с р – n переходом, соответствующий электрическому пробою перехода (рис.7).

Стабилитроны характеризуются следующими основными специальными параметрами:

1. Напряжение стабилизации - напряжение на стабилитроне при заданном токе, которое может иметь величину от единиц до сотен вольт.

2. Дифференциальное (внутреннее) сопротивление = - отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока. Величина этого сопротивления для различных приборов может составлять от десятых долей до сотен Ом.

3. Статическое сопротивление (сопротивление постоянному току) = , которое может иметь величину от единиц ом до сотен килоом.

4. Диапазон изменения тока на участке стабилизации. Он характеризуется максимально допустимым током , определяемый максимально допустимой мощностью, рассеиваемой на переходе, и возможностью возникновения теплового пробоя, и минимальным током . Минимальный ток определяется либо большой величиной внутреннего сопротивления в начале участка стабилизации, либо предпробойными шумами, связанными с неодновременностью появления пробоя на отдельных участках перехода при заданном напряжении. Возникновение пробоя на одном участке перехода вызывает перераспределение напряжения по площади перехода, приводящее к исчезновению пробоя на другом участке перехода. Уровень шумов в стабилитроне с увеличением тока значительно снижается. Так, при токе 0,1 мА эффективное напряжение шумов может быть 0,1 – 1 мВ, а при токе 1 мА составляет 10 - 100 мкВ.

5. Температурный коэффициент напряжения (ТКН)

= показывает, как и насколько изменяется относительная величина напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока ( ). На рис.8 показана зависимость коэффициента от напряжения стабилизации, из которой следует, что низковольтные стабилитроны имеют отрицательный коэффициент , что объясняется туннельным характером пробоя перехода.

Для высоковольтных стабилитронов характерен лавинный пробой, поэтому их коэффициент положителен. В области напряжений около 5 В величина близка к нулю и характер пробоя перехода оказывается смешанным.

Простейшая схема включения стабилитрона в электрическую цепь показана на рис.9.

Пример условного буквенного обозначения.

2С139А – кремниевый стабилитрон специального назначения. Параметры электрического режима: = 3,9 В; = 3 – 70 мА, = 60 Ом,

= -0,1 .

Стабистор. Стабистор – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области прямого включения слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения. Стабисторы используются в тех же целях, что и стабилитроны, но в отличие от стабилитронов применяются в основном для стабилизации низких напряжений (до трех вольт). Основной электрический режим стабистора соответствует участку прямой ветви ВАХ ДС с р – n переходом (рис.10).

Стабисторы характеризуются теми же параметрами, что и стабилитроны. Однако температурный коэффициент напряжения стабисторов всегда отрицателен, так как с ростом температуры прямая ветвь ВАХ смещается влево.

Пример условного буквенного обозначения.

2С119А – кремниевый стабистор специального назначения. Параметры электрического режима: = 0,7 В; = 1 – 120 мА, = 7 Ом,

= -0,34 .

6. Туннельные и обращенные диоды

Туннельные диоды. Туннельный диод – полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ при прямом направлении включения участка отрицательной дифференциальной проводимости. Туннельные диоды применяются для переключения тока и напряжения в различных логических схемах вычислительной техники, для усиления и генерирования колебаний и т. д. Туннельные диоды изготавливаются на основе диодных структур – сплавных, мезасплавных, мезапланарных и др.

Условное графическое обозначение туннельного диода показано на рис.11.

Туннельные диоды создаются на основе полупроводниковых ДС с р – n переходом, имеющих высокую концентрацию примесей (10¹⁹ – 10²¹ см^-3) и называемых поэтому вырожденными. Для вырожденных полупроводниковых характерным является расщепление локальных примесных энергетических уровней в зону уровней и слияние этой зоны в зависимости от характера примеси с соответствующей зоной основного вещества. Так, энергетические уровни донорной примеси сливаются с энергетическими уровнями зоны проводимости, а акцепторной примеси - с уровнями валентной зоны основного полупроводника. В результате уровень Ферми оказывается расположенным в зоне проводимости электронного полупроводника или в валентной зоне дырочного полупроводника. При указанной концентрации примесей толщина р – n перехода имеет порядок 0,01 мкм, что обусловливает высокую напряженность электрического поля в переходе и вероятность туннельного прохождения электронов через его потенциальный барьер при условии наличия свободных энергетических уровней по одну сторону потенциального барьера и тех же, но занятых уровней по другую сторону барьера. Тогда к обычным токам перехода добавляются туннельные токи, вызванные прохождением электронов из валентной зоны дырочного полупроводника в зону проводимости электронного полупроводника и обратно.

На рис.12а показаны графики составляющих туннельных токов через переход, а на рис.12б - составляющие токов через переход и ВАХ туннельного диода - зависимость , которые иллюстрируется с помощью графиков энергетических диаграмм, приведенных на рис.13. На рис.12 и13 обозначены: - туннельный ток; - туннельный ток прямой, образуемы электронами, переходящими из n – области электронного полупроводника в р – область дырочного; - туннельный ток обратный, обусловленный прохождением электронов из р – области в n – область; - суммарный ток через переход; - диффузионный ток; - ток проводимости. Величина туннельных токов пропорциональна интегралу произведения соответствующих плотностей распределения и вероятности туннельного перехода.

Наличие падающего участка на ВАХ обусловливает неоднозначность напряжения при одном и том же токе, что позволяет использовать диод в устройствах переключения, а отрицательного дифференциального сопротивления – применять в усилителях и генераторах.

Действие диодов, основанное на использовании в основном туннельных токов, сообщает им важные особенности: малое время переключения (в диоде практически отсутствуют медленные диффузионные процессы), высокая температурная и радиационная устойчивость, малый уровень шумов (ток диода обусловлен основными носителями заряда, а роль неосновных носителей сведена к минимуму), Туннельные диоды позволяют создавать устройства в диапазоне длин волн вплоть до миллиметровых.

Туннельные диоды характеризуются следующими основными специальными параметрами:

1. Напряжение пика и ток пика . Значения пикового тока типовых диодов колеблются от десятков микроампер до сотен миллиампер в зависимости от назначения диода

2. Напряжение впадины и ток впадины

3. Отношение токов / , которое лежит в пределах 4,5 – 10, достигая в некоторых случаях нескольких десятков

4. Напряжение раствора - напряжение, соответствующее току на восходящей ветви характеристики, равное .

5. Отрицательная дифференциальная проводимость

= = , определяемая на середине падающего участка ВАХ. Модуль отрицательного дифференциального сопротивления может быть равным 5 – 500 Ом, а в некоторых случаях составляет десятые доли Ома.

Недостатком туннельных диодов является малая мощность из-за низких напряжений (десятые доли вольта) и малых токов (из-за малых площадей перехода).

Пример условного буквенного обозначения.

1И304А – германиевый туннельный диод специального назначения. Параметры электрического режима: = 5 мА; / > 8, = 0,4 В, < 0,065 В. Общая емкость диода на частоте 5… 20 МГц в точке минимума ВАХ не более 20 пФ.

Обращенные диоды. Обращенный диод - полупроводниковый диод на основе полупроводника с критической концентрацией примеси, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Обращенные диоды применяются в детекторах, смесителях, импульсных устройствах и др. Обращенные диоды изготавливаются на основе диодных структур – сплавных, мезасплавных и др.

Условное графическое обозначение туннельного диода показано на рис.14.

Обращенные диоды, как и туннельные, создаются на основе полупроводниковых ДС с р – n переходом, имеющих высокую концентрацию примесей. Но при изготовлении обращенных диодов степень вырождения устанавливается такой, чтобы в состоянии равновесия величина энергетического перекрытия 0. В этом случае при обратном включении перехода за счет туннельного эффекта электроны из валентной зоны р – области переходят на свободные уровни зоны проводимости n – области, и через переход протекает относительно большой обратный ток . При прямом включении перехода ввиду отсутствия перекрытия энергетических зон туннельный эффект не проявляется и прямой ток определяется диффузионным током.

ВАХ обращенного диода показана на рис.15. По причине того, что обратный ток больше прямого, эти диоды и получили название обращенных. Особенностью ВАХ обращенного диода является большая нелинейность в области нулевого напряжения включения и высокая крутизна обратной ветви характеристики.

В связи с этим обращенные диоды обладают более высокой чувствительностью по сравнению с обычными диодами, что позволяет работать при малых уровнях мощности. Важным преимуществом обращенных диодов является низкий уровень шума, что способствует их применению, например, в малошумящих смесителях.

Пример условного буквенного обозначения.

1И403А – германиевый обращенный диод (третьим элементом обозначения является цифра 4, указывающая, что диод - обращенный) специального назначения. Параметры электрического режима: < 0,1 мА; В, < 0,03 В, = 0,12 В при обратном токе = 3 мА. Общая емкость диода на частоте 1… 10 МГц в точке минимума ВАХ не более 8 пФ.