Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, содержащий один p-n-переход. На рис. 1.13 приведена классификация и условные графические обозначения диодов. В зависимости от технологии изготовления все диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. В точечном диоде в пластину кремния или германия площадью примерно 1 мм², имеющую проводимость n-типа, впаивается заостренная стальная проволока, образующая в месте спая электропроводность p-типа. Точечные диоды имеют малую площадь p-n-перехода, следовательно, токи в прямом направлении невелики, но их преимуществом является малая межэлектродная емкость, что позволяет использовать диоды на высоких частотах.

В плоскостных диодах p-n-переход образуется двумя пластинами полупроводников различного типа проводимости. Площадь контакта находится в пределах от долей квадратного микрометра до нескольких квадратных сантиметров. Токи в прямом направлении могут достигать сотен ампер. Естественно, конструкции диодов соответствуют уровню мощности, выделяемой на диоде. Наиболее мощные плоскостные диоды могут работать только с принудительным внешним воздушным или водяным охлаждением.

В зависимости от назначения диода в нем используются те или иные свойства p-n-перехода.

Маркировка маломощных полупроводниковых диодов в соответствии со стандартом имеет шесть элементов, например: КД202Р. Первый элемент обозначает материал используемого полупроводника: германий — Г или 1, кремний — К или 2, арсенид галлия — А или 3, арсенид индия — И или 4.

Второй буквенный элемент обозначает тип прибора: Д — выпрямительные, универсальные и импульсные диоды, Ц — выпрямительные столбы и блоки, С — стабилитроны, А — сверхвысокочастотные диоды, В — варикапы, И — туннельные и обращенные диоды, Л — излучающие диоды.

Третий цифровой элемент характеризует назначение прибора или его свойства, например: выпрямительные диоды малой мощности — 1, выпрямительные диоды средней мощности — 2, универсальные диоды с предельной частотой до 1000 МГц – 4 и т.д.

Четвертый и пятый цифровые элементы обозначают порядковый номер разработки от 01 до 99 за исключением стабилитронов, у которых они указывают на напряжение стабилизации.

Шестой буквенный элемент обозначает разновидность данной группы приборов.

Маркировка силовых диодов (прямые токи больше 10 А) производится по другому стандарту и содержит четыре элемента.

Первый элемент состоит из 1–3 букв, первая из которых В (вентиль), а вторая — Л (лавинный) или Ч (высокочастотный). Вторая или третья буква В означает, что диод имеет водяное охлаждение.

Второй числовой элемент указывает на величину предельного прямого тока.

Третий элемент (числовой) определяет класс вентиля по обратному напряжению: единица класса соответствует 100В амплитуды повторяющегося напряжения.

Четвертый буквенный элемент характеризует группу прибора по величине падения напряжения в прямом направлении.

Выпрямительный диод предназначен для выпрямления переменного тока. При этом точечные выпрямительные диоды работают в диапазоне прямых токов от 0,01 до 0,1А, а плоскостные — от 0,1 до 2000А. Характер вольтамперной характеристики выпрямительного диода полностью определяется вольтамперной характеристикой p-n-перехода. Различия в вольтамперных характеристиках различных диодов не качественные, а количественные. На рис. 1.14 показаны типичные вольтамперные характеристики точечного и плоскостного диодов.

При повышении прямого напряжения потенциальный барьер p-n-перехода уменьшается настолько, что перестает влиять на прямой ток. При этом прямой ток линейно зависит от напряжения. Наклон линейного участка прямой ветви вольтамперной характеристики определяет дифференциальное сопротивление диода R_д.

При повышении обратного напряжения возрастает обратный ток I_обр. Рост I_обр объясняется генерацией носителей заряда в p-n-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. Ток утечки практически не зависит от температуры, а ток генерации подчиняется экспоненциальной зависимости. Обратный ток удваивается при повышении температуры на (8–10)°С. Германиевые диоды могут работать при температуре не более 85°С, а кремниевые — 150°С.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются следующие:

– прямой ток I_пр.ср — среднее значение прямого тока, при котором нагрев диода не превышает допустимого значения;

– максимально допустимый прямой ток I_пр.max;

– прямое падение напряжения I_обр. — падение напряжения на диоде от тока I_пр.ср.

– дифференциальное сопротивление R_д — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению прямого тока;

– обратный ток I_обр, нормируемый при определенном обратном напряжении U_обр;

– максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max;

– максимальная рабочая частота f_max;

– диапазон рабочих температур.

Выпрямительные диоды критичны к величине обратного напряжения. При большом U_обр может произойти лавинный пробой p-n-перехода, что вызовет резкое увеличение I_обр и, как следствие, тепловой пробой. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях не более 0,7–0,8 от U_обр.max.Особенно чувствительны к перенапряжению мощные диоды, которые необходимо защищать от кратковременных перенапряжений, например, при сбросе нагрузки. Разработаны специальные лавинные мощные выпрямительные диоды, которые могут пропускать значительные обратные токи без перегрева участков p-n-перехода. Лавинные выпрямительные диоды допускают кратковременное увеличение U_обр. На рис. 1.15 показаны в сравнении обратные ветви вольтамперных характеристик обычного и лавинного диодов.

Реальная загрузка диода прямым током выбирается в зависимости от условий работы: частоты тока, температуры среды, условий охлаждения диода, формы кривой тока. Предельный прямой ток диодов, указываемых в справочниках, относится к синусоидальному току частотой 50 Гц в однополупериодной схеме выпрямления.

Перегрузочная способность по току мощных выпрямительных диодов характеризуется током аварийной перегрузки I_п (ток в аварийном режиме, который диод может выдержать однократно) и ударным током (импульсный ток, выдерживаемый диодом в течение 10 мс).

Для увеличения выпрямленного тока допускается парал­лельное соединение выпрямительных дио­дов, но из-за разброса вольтамперных харак­теристик необходимо подбирать диоды с идентичными характеристиками прямой ветви или принимать меры по вы­равниванию токов. В качестве такой меры используют включение последовательно с диодами активных сопротивлений или индуктивностей. Но в этом случае приходится мириться с дополнительными потерями мощности (рис. 1.16).

Для увеличения обратного напряжения, выдерживаемого выпрямителем, используют последовательное соединение диодов, но без применения специальных мер, обратные напряжения распределяются по диодам неравномерно. При выходе из строя одного диода все напряжение окажется приложенным к оставшимся диодам. Для выравнивания обратных напряжений по диодам применяют шунтирование диодов резисторами. Резисторы выбираются такими, чтобы ток через них был на порядок выше I_опр (рис, 1.17).

В настоящее время промышленность выпускает столбы из последовательно соединенных диодов (5–50 диодов) с идентичными характеристиками.

Универсальные диоды представляют собой маломощные точечные выпрямительные диоды, способные работать в большом диапазоне частот. Используются в различных схемах преобразования аналоговых сигналов. Для них характерны малые значения прямых токов и обратных напряжений.

Импульсные диоды используются в режиме переключения в быстродействующих импульсных схемах и отличаются от других выпрямительных диодов малой длительностью переходных процессов при включении и выключении. Переход из закрытого состояния в открытое характеризуется временем установления прямого сопротивления t_уст: это время, в течение которого напряжение на диоде спадает от максимального до 1,2 установившегося в открытом состоянии. Переход из открытого состояния в закрытое характеризуется временем восстановления обратного сопротивления t_вост. В импульсных диодах эти времена могут быть уменьшены до долей наносекунды.

Диоды Шоттки представляют собой особую группу импульсных диодов, в которых используется выпрямляющие свойства контакта металла с полупроводником. Такой диод обладает очень малой инерционностью (<0,1 мс) и малым прямым падением напряжения. Диоды Шоттки используются для уменьшения степени насыщения открытого биполярного транзистора. Такое объединение биполярного транзистора с диодом Шоттки называется транзистором Шоттки; они широко применяются в интегральных микросхемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Транзисторы Шоттки имеют большие коэффициенты усиления по току, малые значения напряжения насыщения и времени рассасывания (рис. 1.18).

Промышленностью освоены различные диодные сборки и матрицы, облегчающие применение диодов в конкретных выпрямительных устройствах. Выпрямительные мосты на кремниевых диодах специально предназначены для использования в одно- и трехфазных мостовых схемах выпрямления. В диодных матрицах используется группа маломощных диодов с подключением анодов или катодов к одному общему выводу, что облегчает их использование в логических устройствах и дешифраторах.

Полупроводниковый стабилитрон в рабочем режиме используется в области электрического пробоя, при котором напряжение на приборе почти не зависит от тока. Это его качество используется для стабилизации напряжения. Вольтамперная характеристика, стабилитрона приведена на рис. 1.19. Как видно из характеристики, обратное напряжение на стабилитроне в диапазоне токов от I_ст.min до I_ст.max практически неизменно и равно напряжению стабилизации данного стабилитрона. Такую характеристику стабилитрона используют для получения стабильного напряжения U_ст. например, в параметрических стабилизаторах.

Основными параметрами стабилитрона являются: напряжение стабилизации U_ст, динамическое сопротивление на участке стабилизации , минимальный ток стабилизации I_ст.min, максимальный ток стабилизации I_ст.max, температурный коэффициент напряжения стабилизации .

В зависимости от конструкции стабилитрона напряжение стабилизации может находиться в пределах от 1 до 1000 В. Величина напряжения зависит от толщины запирающего слоя p-n-перехода. Значения I_ст.min находятся в пределах 1-10 мА, а I_ст.max — от 30 до 3000 мА. При токах, меньших I_ст.min, напряжение не стабильно, а при токах, больших I_ст.max происходит перегрев прибора.

TK_U показывает, на сколько процентов изменится U_ст при изменении температуры прибора на 1°С. Для стабилитронов обычного исполнения TK_U = (–0,05÷ +0,2)%/°С. Как правило, низковольтные стабилитроны обладают отрицательным TK_U. Прецизионные стабилитроны имеют более высокую температурную стабильность: TK_U = + 0,0005%/°С в диапазоне температур от ‑60 до +60°С.

Стабисторы обеспечивают стабилизацию напряжения прямой ветвью вольтамперной характеристики. Отличительной чертой стабисторов является маленькое значение напряжения стабилизации (~ 0,7В). Стабисторы более стабильны при изменении температуры, чем стабилитроны.

Стабилитроны допускают последовательное соединение, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилитронов. Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, т.к. ток будет протекать только через один стабилитрон, имеющий наименьшее значение напряжения стабилизации.

Туннельный диод имеет на прямой ветви вольтамперной характеристики участок с отрицательным сопротивлением (рис. 1.20). Туннельные диоды изготавливаются из сильно легированного германия или арсенида галлия. Они являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных сигналов и импульсных переключателях на СВЧ. Имеют малый уровень шумов.

Основными параметрами туннельного диода являются ток пика I_п и отношение тока пика к току впадины I_п/I_в. Обычно I_п = 0,1÷1000 мА, а I_п/I_в = 5÷10.

Обращенный диод — разновидность туннельного диода, у которого ток пика I_п = 0 (рис. 1.20). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение U_п ≤ 0,3 В, то прямой ток диода I_п » 0. Но даже при небольшом U_обр (десятки милливольт) обратный ток достигает заметных величин, т.е. обращенные диоды обладают вентильными свойствами в области малых напряжений, где обычные диоды вентильными свойствами не обладают. При этом прямая ветвь характеристики соответствует непроводящему направлению, а обратная ветвь — проводящему.

Обращенные диоды используются в качестве детекторов слабых сигналов СВЧ.

Варикап — полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, приложенного к диоду. Используется в качестве электрически управляемой емкости, для генерации и модуляции сигналов высокой частоты, в системах автоматики. Изготавливается из кремния. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения показана на рис. 1.21. Основными параметрами варикапа являются начальная емкость C_н, фиксируемая при определенном, небольшом обратном напряжении 2–5 В; коэффициент перекрытия по емкости ; максимальное рабочее напряжение U_max; температурный коэффициент емкости TK_E; максимальная мощность P_max и добротность . Для большинства варикапов С_н находится в пределах 10–500 пФ, K_c=5–20, U_max = 40–80 В, Q = 20–40.

Магнитодиод имеет вольтамперную характеристику, зависящую от магнитного поля. В зависимости от индукции магнитного поля DB меняется наклон прямой ветви вольтамперной характеристики. Основным параметром магнитодиода является чувствительность l:

где DU_пр — приращение прямого напряжения, вызванного приращением индукции магнитного поля DB при токе I. Для серийно выпускаемых магнитодиодов КД301, КД303, КД304 чувствительность находится в пределах (10–50) · 10³ В/Тл · мА.

Тензодиод представляет собой туннельный диод, у которого отдельные участки вольтамперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.

Излучающие диоды излучают кванты света при приложении прямого напряжения. Излучающие диоды, работающие в области видимых участков спектра, называют светодиодами. Диоды на основе фосфида галлия излучают инфракрасное излучение, а на основе арсенида галлия и карбида кремния — видимое излучение. Степень излучения сильно зависит от величины прямого тока и температуры. При приложении к светодиоду обратного напряжения он не излучает и ведет себя как обычный выпрямительный диод. Излучающие диоды используются в качестве цифровых и буквенных визуальных индикаторов, а также в оптронах, служащих для гальванической развязки электрических цепей. Яркость свечения всех излучающих диодов имеет сильно выраженный экстремум в зависимости от длины волны, т.е. основное излучение при­ходится на определенную длину волны. Для излучающих диодов нормируются следующие параметры: сила света при определенном значении прямого тока I_пр, прямое падение напряжения при определенном I_пр, цвет или спектральная характеристика излучения, максимальные значения обратного напряжения и прямого тока, диапазон рабочих температур. Для некоторых диодов характерным является диаграмма направленности излучения.

Фотодиодимеет вольтамперную характеристику, зависящую от освещенности p-n-перехода (рис. 1.22). Обратный ток диода повышается при освещении.

Фотодиод может работать как с внешним источником напряжения, так и без него. Режим работы с внешним источником называется фотодиодным или преобразовательным, а без него — режимом генерации фото Э.Д.С.

Фотодиодный режим предполагает подачу на фотодиод напряжения в обратном направлении — участок аб на характеристике (рис. 1.22). Без наличия света течет небольшой так называемый тепловой ток I_т. При наличии света и обратного напряжения возникает дополнительный ток, величина которого практически пропорциональна световому потоку Ф, как это показано на рис. 1.23. В генераторном режиме используется участок ав вольтамперной характеристики. В этом режиме фотодиод замыкают на нагрузку и происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Фотодиоды изготавливают из селена, германия, кремния, сернистого серебра. Чувствительность фотодиодов в режиме фотопреобразователя (мА/лм): селеновых – 0,3–0,75; кремниевых – 3; сернисто-серебряных – 10–15; германиевых – до 20. Минимальное значение измеряемого светового потока ограничивается величиной темнового тока I_т. У германиевых фотодиодов он равен 10–30 мкА, у кремниевых на порядок меньше.

Для построения генераторных фотоэлементов созданы специальные фотодиоды, у которых Э.Д.С. холостого хода (в разомкнутом состоянии) может достигать 0,6 В при к.п.д. 8–11%. Такие диоды объединяются в так называемые солнечные батареи, представляющие собой матрицу фотодиодов. 1см² солнечной батареи может давать 7 Вт полезной мощности.

Следует отметить, что чувствительность к освещению в той или иной степени свойственна любым p-n-переходам. Любой диод или транзистор с обнаженным кристаллом полупроводника будет реагировать на свет.

Основными параметрами фотодиодов являются: величина рабочего напряжения, прикладываемого в диодном режиме, U_раб, темновой ток I_т, чувствительность K_ф, спектральная характеристика и диапазон рабочих температур. Типовые значения основных параметров:

U_раб = 15–30 В; I_т =1–30 мкА; K_ф = 1–20мА /лм.

Разумеется, при использовании фотодиодов необходимо согласовать спектральную характеристику со спектром принимаемого излучения. Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику близкую к спектральной чувствительности человеческого глаза. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части спектра.

В некоторых случаях принимается во внимание допустимая частота модуляции света, т.е. быстродействие фотодиода. Наиболее высокочастотные фотодиоды могут работать при частотах модуляции в сотни мегагерц.

По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.