Диоды, стабилитроны, варикапы, фото- и светодиоды

Диоды

Диоды – полупроводники, которые пропускают ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом А и катодом К. На рис. 4 показано условное обозначение диода. Если приложено положительное напряжение U_АК > 0, то диод работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении U_АК < 0, диод заперт. Обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) I(U_АК). Типовая характеристика диода представлена на рис. 5.

Рис. 4. Условное обозначение диода

Рис. 5. Типовая ВАХ диода

Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях U_АК. Однако он не должен превышать определенного максимального значения I_макс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения U_D при токах порядка 0,1I_макс. Для германия U_D находится в пределах от 0,2 до 0,4 В, для кремния – от 0,5 до 0,8 В.

Из рис. 5 видно, что обратный ток при напряжениях | U_АК | > U_{обр.макс} возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области не могут работать, так как в них происходит локальный перегрев, приводящий к выходу их из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в пределах U_{обр.макс} = (10÷10⁴) В.

Характеристику диода можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции [3]:

, (2.1)

где – теоретический обратный ток, Т – абсолютная температура p–n-пере­хода, – термический потенциал. При комнатной температуре

Поправочный коэффициент m учитывает отклонение от теории диода Шокли. Он находится в пределах 1÷2.

Уравнение (2.1) описывает характеристику реального диода только в прямом направлении и для небольших токов. Реальный обратный ток диода значительно превосходит теоретическую величину .

Величина (рис. 5) часто определяется как прямое напряжение диода в точке перегиба прямой ветви характеристики. Но в действительности перегиб прямой ветви характеристики является кажущимся. Перегиб появляется вследствие отображения экспоненциальной функции (2.1) в линейном масштабе по оси абсцисс. При отображении в логарифмическом масштабе точка перегиба отсутствует.

С помощью формулы (2.1) несложно рассчитать, что при увеличении прямого напряжения на 60 мВ прямой ток возрастает в 10 раз.

Поскольку и зависят от температуры, то прямое напряжение для фиксированного значения тока также зависит от температуры. Эта зависимость описывается приближенным соотношением:

,

т. е. при увеличении температуры на 1К прямое напряжение на диоде уменьшается примерно на 2 мВ. Это свойство позволяет использовать диод в качестве датчика температуры.

Пропорциональное уменьшение прямого напряжения с температурой при постоянной величине тока означает, что с увеличением температуры ток возрастает по экспоненциальному закону, если приложенное напряжение постоянно.

Экспоненциальную температурную зависимость имеет и обратный ток. Он удваивается при увеличении температуры на 10К. При изменении температуры на 100 К обратный ток соответственно возрастет в тысячу раз.

В динамическом режиме работы переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, так как при этом р–n-переход должен освободиться от накопленного заряда.

Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шоттки. Эти диоды имеют переход металл-полупроводник, который тоже обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа весьма мало. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.

Стабилитроны

В диодах обычного типа обратный ток существенно возрастает при превышении максимального обратного напряжения. Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации . На рис. 6, а показано условное обозначение стабилитрона, а на рис. 6, б приведена его вольт-амперная характеристика.

а) б)

Рис. 6. Условное обозначение (а) и ВАХ (б) стабилитрона

Стабилитроны обеспечивают диапазон напряжений стабилизации
3–200 В; их прямое напряжение составляет ~ 0,6 В. Как видно из рис. 6, обратное сопротивление диода при малых обратных напряжениях < велико. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока вызывает малое изменение напряжения . Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление:

.

Стабилитроны с ≈ 8 В имеют наименьшее дифференциальное внутреннее сопротивление; с уменьшением это сопротивление возрастает. Таким образом, стабилизирующий эффект при малых напряжениях стабилизации проявляется в меньшей степени [2].

Варикапы

Емкость p–n-перехода диода с увеличением обратного напряжения уменьшается. На рис. 7, а показано условное обозначение варикапа, а на рис. 7, б представлены графики зависимости емкости от напряжения для разных типов варикапов [2].

а) б)

Рис. 7. Условное обозначение варикапа (а)
и зависимость емкости p–n-перехода от напряжения (б)

Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет
5–300 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей равно 1:5. Благодаря достаточно высокой добротности варикапы используются для построения колебательных контуров с управляемой напряжением резонансной частотой в области СВЧ.

Фотодиоды

Обратный ток диода возрастает при освещении p–n-перехода. Этот эффект может использоваться для фотометрических измерений. С этой целью фотодиод помещают в корпус с прозрачным окном. На рис. 8, а показано условное обозначение фотодиода, на рис. 8, б представлено семейство вольт-амперных характеристик в зависимости от уровня освещённости [2].

а) б)

Рис. 8. Условное обозначение (а) и семейство ВАХ (б) фотодиода

Для фотодиодов характерно наличие тока короткого замыкания, который пропорционален его освещенности, поэтому в отличие от фоторезисторов фотодиод может использоваться без дополнительного источника питания. Чувствительность фотодиодов обычно составляет около 0,1 мкА/лк. При подаче на фотодиод запирающего напряжения фототок практически не изменяется. Такой режим работы фотодиода предпочтителен, когда требуется получить большое быстродействие, так как с ростом запирающего напряжения уменьшается собственная емкость р–n-перехода.

При увеличении освещенности напряжение холостого хода кремниевого фотодиода увеличивается приблизительно до 0,5 В. Как видно из характеристик на рис. 8, б, под нагрузкой напряжение на фотодиоде снижается очень незначительно, пока величина тока нагрузки остается меньше величины тока короткого замыкания для данной освещенности. Благодаря этому фотодиоды пригодны для получения электрической энергии. Для этих целей изготавливаются специальные фотодиоды с большой площадью p–n-перехода, которые называются солнечными элементами.

Область спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов находится между 0,6 и 1 мкм, а германиевых фотодиодов – между 0,5 и 1,7 мкм. Графики относительной спектральной чувствительности глаза человека и фотодиодов приведены на рис. 9.

Рис. 9. Графики относительной спектральной чувствительности η

германиевых и кремниевых фотодиодов

Достоинством фотодиодов является высокое быстродействие. Граничная частота модуляции светового потока для обычных фотодиодов составляет около 10 МГц, а для специальных фотодиодов, используемых в волоконно-опти­чес­ких линиях связи – порядка нескольких ГГц.

Светодиоды

Светодиоды изготавливаются не на основе кремния или германия, как большинство полупроводниковых элементов, а на основе арсенида-фосфида галлия (с валентной связью типа А₃В₅). Эти диоды излучают свет при протекании через них прямого тока. Область спектрального излучения диодов имеет довольно узкие границы. Ее положение зависит от используемого полупроводникового материала. Условное обозначение светодиода показано на рис. 10.

Рис. 10. Условное обозначение светодиода

Основные параметры светодиодов приведены в таблице [2].

Основные параметры светодиодов

Коэффициент полезного действия инфракрасных светодиодов составляет 1–5 %, у остальных типов светодиодов он не превышает 0,05 %. Яркость свечения в широком диапазоне пропорциональна прямому току светодиода. Тока в несколько миллиампер уже достаточно для отчетливой индикации, поэтому светодиоды удобно использовать в качестве элементов индикации в полупроводниковых схемах. Светодиодные индикаторы изготавливаются в виде семисегментных или точечных матриц.

Следует отметить, что в последнее время широкое распространение получили сверхъяркие светодиоды и светодиодные индикаторы с мощностью излучения в несколько десятков и даже сотен мВт.