ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами и одним p-n переходом. Принцип работы полупроводникового диода основан на использовании односторонней проводимости, электрического пробоя и других свойств p-n перехода. Диоды различают по назначению, материалу, конструктивному исполнению, мощности и другим признакам. В зависимости от технологии изготовления различают точечные диоды, сплавные, микросплавные, эпитаксиальные и другие. По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, СВЧ, стабилитроны, стабисторы, варикапы, динисторы, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д. По конструктивному исполнению диоды бывают плоскостные и точечные. По используемому материалу - кремниевые, германиевые, арсенид-галлиевые. Диоды обладают односторонней проводимостью и служат: для выпрямления переменного тока, стабилизации тока и напряжения, формирования импульсов, для регулирования мощностей и т.д.

Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный. Они делятся на: маломощные (до 0,3А), средней мощности (до 10А), мощные (более 1000А), низкочастотные (до 1кГц) и высокочастотные (до 100кГц). Свойства выпрямительных диодов характеризуются вольт -амперной характеристикой и параметрами, которые приводятся в справочной литературе.

Основные параметры диодов(рис. 8.):

— средний выпрямленный ток Jср ,

— прямое падение напряжения Uпр ,

— обратный ток диода при заданной температуре Jобр.,

— напряжение отсечки Uотс.,

— мощность рассеивания Ррас.,

— рабочая частота fр. и др.

В ряде случаев для увеличения тока используется параллельное включение диодов (рис.9). Для выравнивания токов через диоды последовательно с диодами включаются резисторы.

Наряду с выпрямительными диодами для выпрямления переменного тока используются мосты (рис.10) и диодные столбики. Выпрямительные мосты состоят из четырех диодов, размещенных в корпусе и залитые эпоксидной смолой.

Диодные столбики представляют собой набор из последовательно соединенных диодов и предназначены для выпрямления высоковольтных напряжений.

Высокочастотные диоды предназначены для преобразования и обработки высокочастотных сигналов ( до десятков гигагерц ). Обычно это точечные диоды с минимальными паразитными параметрами.

Импульсные диоды нашли применение в пленочных схемах, например в формирователях импульсных сигналов, в схемах автоматического регулирования, в вычислительных устройствах. Импульсные диоды обладают высоким быстродействием и минимальным временем восстановления.

Стабилитроны– это разновидность диодов, предназначенных для стабилизации напряжения. Вольт – амперная характеристика стабилитрона имеет вид (рис.11). Рабочий участок характеристики АВ лежит в области электрического пробоя диода и характеризуется малым изменением напряжения Uст при значительных изменениях тока.

Стабилитроны могут быть одноанодные, двуханодные, универсальные, прецизионные. Двуханодные стабилитроны обеспечивают стабилизацию двух полярных напряжений. Обычно они представляют собой два одноанодных стабилитрона, включенных последовательно навстречу друг другу.

Основными параметрами стабилитрона являются:

— напряжение стабилизации Uст ,

— минимальный ток стабилизации Jмин. стаб. ,

— максимальный ток стабилизации Jмак. стаб. ,

— дифференциальное сопротивление r_диф

— допустимая мощность рассеивания,

— температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Все стабилитроны подразделяются на маломощные, средней мощности и мощные. Условные обозначения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако, в отличии от последних, рабочим участком у них является прямая ветвь вольт–амперной характеристики. Стабисторы работают при прямом напряжении и позволяют стабилизировать малые напряжения (0,35-1,9)в. Основные параметры и условные обозначения у стабисторов такие же, как и у стабилитронов.

Варикапы – это полупроводниковые диоды, емкость которых меняется при изменении обратного напряжения. На рис.13 приведена вольт – амперная и емкостная характеристика варикапа. Емкость варикапа увеличивается с уменьшением обратного напряжения.

Основными параметрами варикапа являются:

— емкость варикапа при заданном обратном напряжении Св ,

— коэффициент перекрытия по емкости

— сопротивление потерь r_п ,

— добротность Q_в ,

— температурный коэффициент емкости.

Варикапы применяются в резонансных схемах для изменения резонансной частоты генераторов, усилителей и т.д.

а) б)

Рис.13 Вольт – амперная (а) и емкостная (б) характеристики варикапа

Динисторы( диодные тиристоры ) – представляют собой четырехслойную структуру и имеют три p-n перехода. Вольт – амперная характеристика динистора приведена на рис.14.

При повышении напряжения на аноде Uа динистора ток Jа растет медленно (участок I). При Uа =Uвкл. возникает электрический пробой р-n перехода, сопротивление динистора падает (участок II) и ток J₀ определяется, в основном, нагрузочным резистором в цепи анода. Отключение динистора происходит только при уменьшении тока Jа< Jудерж. Динисторы применяются в формирователях импульсов, в преобразователях, в системах автоматического регулирования.

Рис.14 Вольт – амперная характеристика

Тиристоры(тринисторы) представляют собой многослойную структуру, имеющие три вывода: анод, катод и управляющий электрод. ВАХ тиристора приведена на рис.15. На управляющий электрод поступает управляющий ток Jупр , снижающее напряжение включения Uвкл.

Рис.15 ВАХ тиристора (с), условное обозначение незапираемого (а) изапираемого (в) тиристора

Тиристоры делятся на запираемые и незапираемые. Запираемые тиристоры способны переключатся из открытого состояния в закрытое при подаче на управляющий электрод сигнала отрицательной полярности. Незапираемые тиристоры отключаются только при снижении анодного тока до уровня Jа< Jудерж.

Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния и используется в формирователях импульсов и в схемах автоматического управления.

Симисторы( симметричные тиристоры ) имеют пятислойную структуру, три электрода и симметричную вольт -–амперную характеристику (рис.16).

Рис.16 ВАХ сим и стора (б) , условн ое обозначение симистора (а)

Открытие симистора управляющими сигналами. Симисторы в отличии от тиристоров имеют возможность проводитьток в двух направлениях, поэтому на них можно подавать переменное напряжение. Симисторы, как и тиристоры могут применяться в формирователях, коммутаторах, в регуляторах тока и напряжения. Важнейшими параметрами тиристоров являются: ток удержания Jудерж, напряжение в открытом состоянии, ток отпирания Jупр, средний ток, импульсный ток, время включения и отключения и т.д.

Излучающие диоды представляют собой полупроводниковые диоды, излучающие из области p-n перехода кванты энергии. Излучение происходит через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода. По характеристике излучения диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды и диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИК -диоды.

Светодиоды применяются в качестве световых индикаторов, а ИК -диоды в качестве источников излучения в оптоэлектронных приборах и в качестве первичных преобразователей информации.

Маркировка полупроводниковых приборов предусматривает шесть символов. Первый символ – буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов специального назначения), указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия. Второй символ – буква, обозначающая подкласс диода: Д – выпрямительные, высокочастотные и импульсные; В – варикапы, С – стабилитроны и стабисторы; Н – динисторы; У – тиристоры; Л – излучающие диоды и т.д. Третий символ – цифра, указывающая назначение диода, например: 1, 2, 3 – выпрямительные диоды, 5- импульсные, 6 – СВЧ и т.д. Четвертый и пятый символы – двухзначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов – номинальное напряжение стабилизации). Шестой символ – буква, обозначающая параметрическую группу прибора. Например: КД521А – кремниевый импульсный диод, номер разработки 21, группа А, общего применения.