Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема структуры полупроводникового диода (а)

и его графическое обозначение (б)

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область p-n-перехода на рис. 2.2) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p ислоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока.

Основные характеристики полупроводникового диода представляются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводникового диода

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами (рис. 2.3):

1. обратный ток при некоторой величине обратного напряжения I_обр, мкА;

2. падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод U_пр, в;

3. емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;

4. диапазон частот, в котором возможна работа без снижения выпрямленного тока f_гр, кГц;

5. рабочий диапазон температур.

Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа. Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты f_гр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения. Общий вид диодов показан на рис 2.4.

Рис. 2.4. Конструкция диодов малой мощности (а) и средней мощности (б)

Стабилитрон. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Условное графическое обозначение стабилитрона представлено на рис. 2.5,а.

Рис. 2.5. Графическое изображение полупроводниковых диодов:

а) стабилитрон; б) диод Шоттки; в) варикап; г) туннельный диод;

д) обращенный диод

В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно, т. е. стабилитрон стабилизирует напряжение. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона Д814Д представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика

кремниевого стабилитрона Д814Д

В стабилитронах может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой в зависимости от удельного сопротивления базы.

В стабилитронах с низкоомной базой (низковольтных, до 5,7 В) имеет место туннельный пробой, а в стабилитронах с высокоомной базой (высоковольтных) – лавинный пробой.

Основными является следующие параметры стабилитрона:

1. U_ст – напряжение стабилизации (при заданном токе в режиме пробоя);

2. I_ст.мин – минимально допустимый ток стабилизации;

3. I_{ст.макс} – максимально допустимый ток стабилизации;

4. r_ст – дифференциальное сопротивление стабилитрона (на участке пробоя), ;

5. (ТКН) – температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Величины U_ст , I_ст.мин и I_{ст.макс} принято указывать как положительные.

Для примера применения стабилитрона обратимся к схеме так называемого параметрического стабилизатора напряжения (рис. 2.7.). Легко заметить, что если напряжение u_вх настолько велико, что стабилитрон находится в режиме пробоя, то изменения этого напряжения практически не вызывают изменения напряжения u_вых (при изменении напряжения u_вх изменяется только ток i, а также напряжение ).

Рис. 2.7. Схема параметрического стабилизатора напряжения

Стабилитрон является быстродействующим прибором и хорошо работает в импульсных схемах.

Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений.

Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется не p-n-переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Условное графическое обозначение диода Шоттки представлено на рис. 2.5, б.

В обычных условиях прямой ток, образованный электронами зоны проводимости, переходящими из полупроводника в металл, имеет очень малую величину. Это является следствием недостатка электронов, энергия которых позволила бы им преодолеть данный барьер.

Для увеличения прямого тока необходимо «разогреть» электроны в полупроводнике, поднять их энергию. Такой разогрев может быть осуществлен с помощью электрического поля.

Если подключить источник внешнего напряжения плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику n-типа, то потенциальный барьер понизится и через переход начнет протекать прямой ток. При противоположном подключении потенциальный барьер увеличивается и ток оказывается весьма малым.

Диоды Шоттки – очень быстродействующие приборы, они могут работать на частотах до десятков гигагерц (1 ГГц=1·10⁹ Гц). У диода Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое напряжение (при малых прямых токах) – около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых приборов. Максимально допустимый прямой ток может составлять десятки и сотни ампер, а максимально допустимое напряжение – сотни вольт.

Варикап. Это полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве конденсатора, емкость которого управляется напряжением. Условное графическое обозначение варикапа представлено на рис. 2,5, в.

На варикап подают обратное напряжение. Барьерная емкость варикапа уменьшается при увеличении (по модулю) обратного напряжения. Характер изменения емкости у варикапа такой же, как и у обычного диода.

Туннельный диод. Это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольт-амперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Условное графическое обозначение диода представлено на рис. 2.5,г.

Для примера изобразим (рис. 2.8) прямую ветвь вольт-амперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (I_{пр.макс}=20 мА – постоянный прямой ток, U_{обр.макс}=20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 2.8. Вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Полезно отметить, что проверка диода тестером не допускается. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц.

Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов.

В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

Обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде, поэтому зачастую обращенный диод рассматривают как вариант туннельного диода. При этом участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обращенного диода отсутствует или очень слабо выражен.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики обращенного диода (отличающаяся очень малым падением напряжения) используется в качестве прямой ветви «обычного диода», а прямая ветвь – в качестве обратной ветви. Отсюда и название – обращенный диод.

Условное графическое обозначение обращенного диода представлено на рис. 2.5,д.

Рассмотрим для примера вольт-амперные характеристики германиевого обращенного диода 1И104А (рис. 2.9), предназначенного, кроме прочего, для работы в импульсных устройствах (постоянный прямой ток – не более 0,3 мА, постоянный обратный ток – не более 4 мА (при ), общая емкость в точке минимума вольт-амперной характеристики 1,2…1,5 пФ).

Как видно из графика (рис. 2.9), обе ветви вольт-амперной характеристики практически симметричны (в зеркальном отражении) относительно начала координат. Участок отрицательного дифференциального сопротивления размещен на участке положительного напряжения между 0,1 и 0,3 В. При этом амплитуда тока на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением не превышает 0,05 мА.

Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристика обращенного диода

Классификация и система обозначений. Классификация современных полупроводниковых диодов (ПД) по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов в соответствии с ГОСТ 20859.1-89.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) – подкласс приборов, третий (цифра) – основные функциональные возможности прибора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения исходного полупроводникового материала используются следующие символы:

Г, или 1 – германий или его соединения;

К, или 2 – кремний или его соединения;

А, или 3 – соединения галлия;

И, или 4 – соединения индия.

Для обозначения подклассов диодов используется одна из следующих букв:

Д – диоды выпрямительные и импульсные;

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

В – варикапы;

И – туннельные диоды;

А – сверхвысокочастотные диоды;

С – стабилитроны;

Г – генераторы шума;

Л – излучающие оптоэлектронные приборы;

О – оптопары.

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков приборов (их функциональных возможностей) используются следующие цифры.

Диоды (подкласс Д):

1 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого

тока не более 0,3 А;

2 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого

тока более 0,3 А, но не свыше 10 А;

4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного

сопротивления более 500 нс;

5 – импульсные диоды с временем восстановления более 150 нс, но не

свыше 500 нс;

6 – импульсные диоды с временем восстановления 30…150 нс;

7 – импульсные диоды с временем восстановления 5…30 нс;

8 – импульсные диоды с временем восстановления 1…5 нс;

9 – импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных

носителей заряда менее 1 нс.

Выпрямительные столбы и блоки (подкласс Ц):

1 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока не более

0,3 А;

2 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А;

3 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3 А;

4 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А.

Варикапы (подкласс В):

1 – подстроечные варикапы;

2 – умножительные варикапы;

Туннельные диоды (подкласс И):

1 – усилительные туннельные диоды;

2 – генераторные туннельные диоды;

3 – переключательные туннельные диоды;

4 – обращенные диоды.

Сверхвысокочастотные диоды (подкласс А):

1 – смесительные диоды;

2 – детекторные диоды;

3 – усилительные диоды;

4 – параметрические диоды;

5 – переключательные и ограничительные диоды;

6 – умножительные и надстроечные диоды;

7 – генераторные диоды;

8 – импульсные диоды.

Стабилитроны (подкласс С):

1 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10 В;

2 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным

напряжением стабилизации 10…100 В;

3 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным

напряжением стабилизации более 100 В;

4 – стабилитроны мощностью не более 0,3…5 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10 В;

5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным

напряжением стабилизации 10…100 В;

6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным

напряжением стабилизации более 100 В;

7 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10 В;

8 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным

напряжением стабилизации 10…100 В;

9 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным

напряжением стабилизации более 100 В.

Генераторы шума (подкласс Г):

1 – низкочастотные генераторы шума;

2 – высокочастотные генераторы шума.

Примеры обозначения приборов:

2Д204В – кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3…10 А, номер разработки 04, группа В.

КС620А – кремниевый стабилитрон мощностью 0,5…5 Вт, с номинальным напряжением стабилизации более 100 В, номер разработки 20, группа А.

ЗИ309Ж – арсенидогаллиевый переключательный туннельный диод, номер разработки 09, группа Ж.