Общие характеристики диодов

Диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами (рис. 3.1). База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты с n- и p-областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.

Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрическом переходе, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Различают диоды:

в зависимости от назначения:

ü выпрямительные;

ü стабилитроны;

ü варикапы;

ü туннельные;

ü импульсные и др.;

по применяемым исходным материалам:

ü германиевые;

ü кремниевые;

ü из арсенида галлия;

по технологии изготовления:

ü сплавные;

ü диффузионные;

ü планарные;

по частотному диапазону:

ü низкочастотные;

ü высокочастотные;

ü СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода:

ü плоскостные;

ü точечные.

Плоскостным называют р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.

Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германия n-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводника n-типа – базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.

В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем диффузии из газовой фазы атомов примеси в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.

В точечных диодах (рис. 3.2, б) выпрямляющий p-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10...20 мкм) и кристаллом полупроводника обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводника p-типа. Точечные диоды вследствие малой площади p-n-перехода выпускаются на малые токи.

Теоретические вольт-амперные характеристики n-p-перехода и полупроводникового диода (рис.3.3) несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы (r_б), которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Падение напряжения на сопротивлении r_б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате, напряжение непосредственно на n-р-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:

.

Отсюда напряжение, приложенное к диоду, равно:

U_эб = I r_б + U_pn.

Необходимо заметить, что сопротивление базы (r_б) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I₀. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации (I_тг). С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и ток I_тг также увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки (I_у). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый I_обр, определяется как сумма токов:

I_обр = I₀ + I_тг + I_у.

Каждый тип диодов характеризуется параметрами – величинами, определяющими основные свойства приборов, а также имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:

· постоянный обратный ток диода (I_обр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

· постоянное обратное напряжение диода (U_обр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;

· постоянный прямой ток диода (I_пр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

· постоянное прямое напряжение диода (U_пр) – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры – параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:

· максимально допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах);

· максимально допустимый постоянный прямой ток (I_{пр. mах}), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;

· максимально допустимое постоянное обратное напряжение (U_{обр. mах});

· дифференциальное сопротивление (r_диф);

· минимальная (Т_мин) и максимальная (Т_mах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах) определяется тепловым сопротивлением диода (R_т), допустимой температурой перехода (Т_{п mах}) и температурой окружающей среды (Т_о) в соответствии с соотношением:

.

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

.

Обратное максимально допустимое напряжение (U_{обр. mах}) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:

U_{обр max} ≈ 0,8 U_проб.

Дифференциальное сопротивление (r_диф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

.

Сопротивление r_диф зависит от режима работы диода.

Минимальная температура окружающей среды (Т_мин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Т_макс= +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Обозначение диодов состоит из шести символов:

· первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 – германий;

К или 2 – кремний;

А или 3 – соединения галлия;

· второй символ (буква) указывает подкласс приборов:

· третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).

· четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).

· шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Виды диодов

Выпрямительные диоды.Выпрямительным полупроводниковым диодом
(рис. 3.4) называется полупро­водниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Это плоскостные диоды с относительно большой площадью p-n-перехода.

Выпрямительные диоды до­полнительно характеризуются электрическими величинами, опреде­ляющими их работу в выпрямителях:

· средним за период значением обратного напряжения (U_обр.ср);

· средним за период значением обратного тока (I_обр.ср);

· максимальным значением выпрямленно­го тока (I_{вп.ср.max});

· среднем за период значением прямого напряжения (U_пр.ср) при заданном среднем значении прямого тока.

Рабочая частота выпрямительных диодов: малой и средней мощности от 5 до 50 Гц, большой мощности от 50 до 500 Гц.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода (рис. 3.5) описывается уравнением:

,

где I₀– тепловой обратный ток; φ_т – температурный потенциал, при комнатной температуре 25 °С.

Импульсные диоды.Импульсный полупроводниковый диод – это диод имеющий малую длительность переходных процессов и предназначен для работы в импульсном режиме.

Основное применениеимпульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов в цифровых схемах, кроме того, для детектирования высокочастотных сигналов и в высокочастотной преобразовательной технике.

При переключении диода с прямого напряжения на обратное, в начальный момент через диод течёт неуправляемый обратный ток (рис. 3.6). Этот обратный ток ограничен только объемным сопротивлением базы диода и сопротивлением нагрузки (R_H). С течением времени, накопленные в базе неосновные носители зарядов рекомбинируют или уходят из базы через р-n-переход, после чего обратный ток уменьшается до обычного значения.

Переходный процесс, в течение которого обратное сопротивление диода восстанавливается до постоянного значения после быстрого переключения с прямого напряжения на обратное, называется восстановлением обратного сопротивления диода. Одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления обратного сопротивления (t_в). По его значению импульсные диоды делятся на 6 групп:

Стабилитроны.Полупроводниковый стабилитрон (рис.3.7) – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

В стабилитронах, используется лавинный или туннельный пробой, следовательно, используемый материал чаще всего кремний. Участок 1 вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 3.8) соответствует неустойчивому лавинному или туннельному пробою.

Основные параметры стабилитрона:

1) напряжение стабилизации;

2) температурный коэффициент напряжения стабилизации;

3) минимальный ток;

4) максимальный ток;

5) дифференциальное сопротивление;

6) статическое сопротивление.

Напряжение стабилизации – это значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации: от 3 до 400 В.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации является одним из наиболее важных параметров стабилитрона. Он определяется по формуле:

при I_ст = const.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации показывает относительное изменение напряжения стабилиза­ции при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока.

При лавинном характере пробоя a_ст положителен. С увеличением температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, при понижении температуры – уменьшается. При туннельном пробое a_ст становится отрицательным, так как с увеличением температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается, с понижением температуры увеличивается. Смена знака a_ст происходит при напряжении электри­ческого пробоя 5 – 6 В. Для уменьшения a_ст стабилитрона иногда применяют комбинацию из последовательно включенных (двух или более), специально подобранных p-n-переходов с противоположным по знаку температурным коэффициентом напряжения. Одним из ва­риантов температурной компенсации является включение последова­тельно со стабилитроном диода в прямом направлении.

Минимальный ток стабилитрона (I_ст.min) определяется гарантированной устойчивостью состояния электрического пробоя p-n-перехода.

Максимальный ток стабилитрона (I_ст.max) определяется отношением максимально допустимой мощности к напряжению стабили­зации:

I_max » P_max / U_ст.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в задан­ном диапазоне частот:

.

Этот параметр характеризует основное свойство стабилитрона. Чем меньше r_ст, тем лучше осуществляется стабилизация.

Статическое сопротивление или сопротивление стабилитрона на постоянном токе в рабочей точке определяется по формуле:

.

Cтабисторы.Это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области прямого смещения слабо зависит от тока в заданном его диапазоне. Отличительной особенностью его по сравнению со стабилитроном является меньшее напряжение стабилизации, которое определяется прямым падением напряжения на диоде, и составляет 0,7 В.

Последовательное соединение двух, трёх и т.д. стабисторов даёт возможность получить удвоенное, утроенное напряжение стабилизации.

Стабистор имеет отрицательный температурный коэффициент и поэтому часто используется для температурной компенсации стабилитрона с положительным температурным коэффициентом. Для этого последовательно со стабилитроном необходимо включить один или несколько стабисторов.

Туннельные диоды.Туннельный диод (рис. 3.9) – это полупроводниковый диод, на прямом участке ВАХ которого (рис. 3.10) имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельные диоды изготавливают из материала, имеющего повышенное количество примесей. В результате этого в туннельном диоде создаётся полупроводник с высокой концентрацией носителей зарядов, что приводит к малой толщине р-n-перехода и к большей величине диффузионного электрического поля.

При обратном включении туннельный диод работает в режиме туннельного пробоя.

Основные параметры туннельного диода:

1) пиковый ток (I_n)

2) ток впадины (I_в);

3) отношение (I_n / I_в);

4) напряжение пика (U_n);

5) напряжение впадины (U_вп).

Туннельные диоды используют для генерации и усиления электрических колебаний и в переключающихся схемах.

Обращённые диоды.Обращённым называют диод (рис. 3.11), у которого проводимость при обратном смещении значительно больше, чем при прямом. Прямая ветвь ВАХ обращённого диода (рис. 3.12) аналогична ВАХ туннельного, а обратная ветвь ВАХ аналогична ВАХ выпрямительного диода.

Основные особенности обращённого диода:

1) способны работать только в диапазоне малых напряжений.

2) обладают хорошими частотными свойствами.

3) малочувствительны к воздействию проникающей радиации.

Варикапы.Варикап – это полупроводниковый диод (рис. 3.13), действие которого осно­вано на использовании зависимости емкости от обратного напряже­ния и который предназначен для применения в качестве элемента с элек­трически управляемой емкостью. Принцип действия варикапа основан на свойстве зарядной емкости обратно смещенного p-n-перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 3.14) – зависимость емкости варикапа (С_в) от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости (С_в) может изме­няться от единиц до сотен пикофарад.

Основными параметрами варикапа являются:

· емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении (С_в);

· коэффициент перекрытия по емкости (К_С), используе­мый для оценки зависимости C_в = f (U­_обр) и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напря­жения (К_С = 2...20);

· температурный коэффициент емкости, который характери­зует зависимость параметров варикапа от температуры:

ТКЕ_в = DС_в / (С_вDT),

где DС_в/С_в – относительное изменение емкости варикапа при из­менении температуры DT окружающей среды.