ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод—это прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего электрического перехода наиболее часто используется электронно-дырочный р-n переход в котором концентрация носителей p области (дырок), как правило, на много больше концентрации носителей n области (электронов).

Согласно приведенному выше выражению, для тока p-n перехода (2.1.) вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального полупроводникового диода имеет вид, показанный на рис. 2.4.а).

а)

б)

Рис.2.4. Статические вольтамперные характеристики идеального а) и реального б) диодов.

Отличие ВАХ реального диода от идеальной обусловлено несколькими причинами (рис.2.4.б). При увеличении прямого тока в напряжение на диоде значительную часть начинает играть падение напряжения на собственном сопротивлении полупроводникового материала. В результате этого характеристика приобретает практически линейную зависимость.

Реальный обратный ток диода складывается из тока Io и токов генерации носителей в теле полупроводника и утечки, вызванной краевыми эффектами в кристалле. Поэтому суммарный обратный ток увеличивается с увеличением обратного напряжения.

При значительном увеличении обратного напряжения в p-n переходе наблюдается резкий рост тока, что обусловлено эффектом ударной ионизацией. Внешнее поле становится достаточным для придания свободным носителям заряда энергии, достаточной для выбивания дополнительных носителей из кристаллической решетки полупроводника.

На ВАХ полупроводникового диода можно выделить несколько характерных зон (см.рис.2.4.б). Участок АВ ВАХ диода называется зоной обратного электрического пробоя. Он, с одной стороны, ограничивается моментом начала лавинного процесса (точка А), а, с другой стороны, точкой Б в которой мощность, выделяющаяся в теле полупроводника приводит к его перегреву и разрушению. Это точка теплового пробоя.

На участке АD ток диода практически отсутствует. Его называют областью обратного смещения.

Участок DC – это область прямого смещения или область протекания прямого тока диода. Точка С, как и точка В, характеристики соответствует тепловому разрушению диода.

Следует отметить, что в пределах выделенных зон ток и напряжение диода связаны практически линейными зависимостями. Поэтому, при расчетах, полупроводниковый диод можно представить несколькими линейными схемами замещения. Рассмотрим эти схемы.

Проведем касательную к участку АВ характеристики. Точка пересечения с осью напряжения даст значение напряжения пробоя . Тогда используя метод кусочно-линейной аппроксимации для напряжения диода ( ) можно записать:

, (2.2)

где: - дифференциальное сопротивление диода для области обратного

пробоя, ;

- обратный ток диода.

Проведя касательную к характеристике в области прямого смещения, проходящую через предполагаемую рабочую точка (например, точку Е) на оси напряжения получим значение . Тогда для области прямого смещения для напряжения диода можно записать:

, (2.3)

где; - дифференциальное сопротивление диода для области прямого

смешения, ;

- прямой ток диода;

Для участка ВАХ можно полагать, что .

Соответствующие полученным выражениям схемы замещения приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Схемы замещения диода..

Режим работы	Схема замещения и описание	Область применения
Обратный электрический пробой
Обратное смещение
Прямое смещение

В зависимости от используемой области ВАХ различают несколько различных типов полупроводниковых диодов. Основные из них сведены в таблицу 2.2.

Таблица 2.2. Типы полупроводниковых диодов.

Тип	Условное обозначение	Используемая область ВАХ	Основные параметры
Выпрямительный диод			– максимальный прямой ток. – максимальное обратное напряжение
Стабилитрон			– напряжение стабилизации; - дифференциальное сопротивление; – максимальный ток стабилизации
Светодиод			– максимальный \прямой ток; – рабочее напряжение диода; – рабочий ток диода
Фотодиод			– напряжение холостого хода; – ток короткого замыкания
Варикап			– коэффициент перекрытие по емкости

Светодиод – полупроводниковый диод, излучающий из области p-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

По характеристике излучения эти диоды делятся на две группы:

· диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды;

· диоды с излучение в инфракрасной области спектра, получившие название ИК-диоды.

Принцип действия обоих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр излучаемых частот определяется типом исходного полупроводникового материала.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК- диоды – в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.

Фотодиод – полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – генерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда. Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток.

Диоды Шоткииспользуют контакт полупроводника с металлом. Характерной особенностью данного прибора является большее по сравнению с обычными диодами быстродействие и меньшее падение напряжения в режиме прямого смещения. Эти особенности обусловили использование диодов данного типа в мощных низковольтных выпрямителях и сверхвысокочастотных устройствах.