Полупроводниковые диоды

Классификация полупроводниковых приборов и их назначение.

В промышленной электронике используют большое число различных типов полупроводниковых приборов, которые можно разделить на несколько основных групп: 1) полупроводниковые резисторы; 2) полупроводниковые диоды; 3) биполярные транзисторы; 4) поле­вые транзисторы; 5) тиристоры.

Полупроводниковые резисторы и диоды являются двухэлектродными приборами, биполярные и полевые транзисторы—трехэлектродными приборами. Тиристоры могут быть как двухэлектродными, так и трехэлектродными.

В полупроводниковых резисторах применяют изотропный (однородный) полупроводниковый материал, электрические свойства которого определяют электрические характеристики резистора. В полупроводниковых диодах используют полупроводники с различными типами электропроводности, образующие один р-n-переход. Электрические характеристики диода определяются в основном электрическими свойствами p-n-перехода.

В биполярных транзисторах полупроводники с различными типами электропроводности образуют два р-n -перехода. Электрические характеристики биполярных транзисторов обусловлены электрическими свойствами этих р-п-переходов и существенно зависят от их взаимодействия. Полевые транзисторы основаны на полупроводниках с различными типами электропроводности, которые образуют один р-n -переход. Но в отличие от диодов и биполярных транзисторов электрические характеристики полевых транзисторов зависят от взаимодействия изо­тропного полупроводникового канала с р-n -переходом.

В тиристорах применяют полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют три или более р- n -перехода. Основные электрические характеристики тиристоров определяются взаимодействием этих р- n -переходов.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, имеющий два вывода.

Классификация и условное графическое обозначение полупроводниковых диодов приведены в табл. 2.2. Как видно из таблицы, все полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n-типа, толщиной 0,1—0,6 мм и площадью 0,5—1,5 мм²; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка (рис, 2.5), образующая р- n -переход в месте контакта.

Вольт-амперные характеристики точечного диода при различных температурах приведены на рис.

Из-за малой площади контакта прямой ток и междуэлектродная емкость таких диодов сравнительно невелики, что позволяет применять их в области очень высоких частот (СВЧ-диоды). Точечные диоды служат в основном для выпрямления переменного тока (выпрями­тельные диоды).

В плоскостных диодах р-n -переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра (микроплоскостные диоды) до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

По способу внесения примесей диоды делят на сплавные и диффузионные.

Электрические характеристики плоскостного диода определяются характеристиками р-n -перехода. В зависимости от назначения диода в нем используются те или иные характеристики р-n –перехода.

Рассмотрим более подробно типы и характеристики различных плоскостных диодов.

Выпрямительный диод— полупроводниковый прибор, в котором так же, как и в точечном диоде, используются выпрямительные свойства р-n -перехода.

Конструкция мощного выпрямительного диода показана на рис. 2.7. Маломощные выпрямительные диоды, а также выпрямительные диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют, как правило, конструкцию, аналогичную точечным диодам.

Вольтамперная характеристика мощного выпрямительного диода приведена на рис. 2.8.

Благодаря большой площади перехода плоскостные диоды рассчитаны на большой прямой ток. Обычно прямое напряжение диода не превышает 1—2 В, при этом плотность тока в полупроводнике достигает 1—10 А/мм2, что вызывает некоторое повышение его температуры. Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать 85—100° С. Кремниевые диоды могут работать при температуре 150—200° С.

При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток (рис. 2.8), обусловленный движением неосновных носителей заряда через р-n -переход.

При повышении температуры р-n -перехода число неосновных носителей заряда увеличивается за счет перехода часта электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон—дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.

В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейший рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n -перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7—0,8) U_проб. Даже кратковременное повышение обратного напряжения сверх пробивного, как правило, приводит к пробою р-n -перехода и выходу диода из строя.

Основными параметрами точечных и плоскостных выпрямительных диодов являются: прямой ток диода I_пр, который нормируется при оп­ределенном прямом напряжении (обычно 1—2 В). Максимально допустимый прямой ток диода I_{пр max}, максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр max}; обратный ток диода I_обр, который нормируется при максимальном обратном напряжении U_{обр max} . Параметры различных выпрямительных диодов приведены в табл.

Полупроводниковый стабилитрон — полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

Полупроводниковый стабилитрон работает на участке электрического пробоя р-n -перехода. Для предотвращения теплового пробоя конструкция стабилитрона обеспечивает эффективный отвод тепла от р-n -перехода. Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рис.

Как видно из рис., в области пробоя напряжение на стабилитроне U_CT лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I_CT. Такую характеристику стабилитрона применяют для получения стабильного напряжения, например в параметрических стабилизаторах напряжения.

Основными параметрами полупроводникового стабилитрона являются: стабилизирующее напряжение U_CT; динамическое сопротивление на участке стабилизации Rд = d U_CT /dI_CT; минимальный ток стабилитрона I _{ст min}; максимальный ток ста­билитрона I _{ст max} ; температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации TKU = d U_CT /dT 100%.

Стабилизирующее напряжение современных стабилитронов лежит в пределах 1—1000 В и зависит от толщины запирающего слоя р-n перехода.

Туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости (см. рис.).

В качестве рабочей используют прямую ветвь в. а. х.

Материалом для туннельных диодов служит сильно легированный германий или арсенид галлия.

Основными параметрами туннельного диода являются: ток пика Iп (кривая1 на рис.) и отношение тока пика к току впадины Iп/Iв. Для выпускаемых отечественной промышленностью диодов Iп = 0,1—100 мА, а Iп / Iв =5 — 20.

Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и быстродействующих импульсных переключателях.

Обращенный диод — разновидность туннельного диода, у которого ток пика Iп = 0 (кривая 2 на рис.). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение Uпр < 0,3 В, то пряой ток диода Iпр = 0, в то же время даже при небольшом обратном напряжении (порядка десятков милливольт) обратный ток диода достигает нескольких миллиампер в результате туннельного пробоя. Таким образом, обращенный диод обладает вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где обычные выпрямительные диоды этими свойствами не обладают. При этом направлением наибольшей проводимости является направление, соответствующее обратному току.

Обращенные диоды применяют, как и туннельные диоды в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

Варикап— полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости

р-n -перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой величиной емкости. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения показана на рис.

Основными параметрами варикапа являются: общая емкость варикапа Св, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении Uo6p = 2—5 В; коэффициент перекрытия по емкости Кс = Cmax/Cmin, Для большинства варикапов Св = 10—500 пФ, а коэффициент перекрытия по ем­кости Кс = 5—20.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Ф о.т о д и о д, фотоэлемент полупроводниковый, светодиод — полупроводниковые диоды, использующие эффект взаимодействия излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое р-n перехода.