Полупроводниковые диоды

Общие сведения:

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор, содержащий один электрический переход с двумя выводами для подключения во внешнюю цепь.

Диод – двухполюсный элемент. Один его электрод называется анодом, другой – катодом. В качестве электрического перехода в полупроводниковых диодах, как правило, используются электронно-дырочный переход или переход Шоттки, т.е. выпрямляющий контакт между металлом и полупроводником.

Наряду с описанными существуют диоды, не содержащие электрического перехода (СВЧ диоды Ганна), а также имеющие два и три перехода (p-i-n диоды, диодные тиристоры).

На практике применение диодов основывается на том или ином свойстве выпрямляющего электрического перехода. Важное свойство полупроводниковых диодов – односторонняя проводимость – широко применяется в устройствах выпрямления, ограничения и преобразования электрических сигналов. Изменение барьерной емкости p-n-перехода под действием обратного напряжения используется в приборах, получивших название варикапы. Явление обратимого электрического пробоя p-n-перехода исполь­зуется в приборах для стабилизации напряжения. Эти приборы называются стабилитронами.

Полупроводниковые диоды образуют многочисленные типы и группы. Их можно классифицировать по различным признакам:

- по основному полупроводниковому материалу (германиевые, кремниевые, на основе соединений галлия или индия и т.д.);

- по конструктивно-технологическим особенностям (плоскостные, точечные, сплавные, диффузионные и др.);

- физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные и резонансно-туннельные, лавинно-пролетные, p-i-n-диоды (диоды Мисавы), диоды Ганна, фотодиоды, светодиоды и др.

Однако основным признаком для классификации служит назначение прибора: выпрямительные, универсальные, стабилитроны, варикапы, детекторные, параметрические, смесительные, импульсные, СВЧ-диоды и другие типы диодов, некоторые из которых с их основными характеристиками и условно-графическими обозначениями (УГО) по ГОСТ 2.730-73 приведены в таблице 1.5.

В электрических схемах позиционное обозначение полупроводниковых диодов принято писать как VD1, VD2 и т.д.

Диоды – исторически первые полупроводниковые приборы. Экспериментально обнаруженный факт (Лосев О.В., 1922 г.) выпрямление слабых переменных сигналов при соприкосновении металлической иглы с кристаллами некоторых естественных минералов – стал основой их практического применения. Широкое внедрение полупроводниковых диодов в радиоэлектронику началось примерно с 1940 г., когда для целей радиолокации был впервые создан кристаллический детектор сантиметрового диапазона.

Таблица 1.5 – Основные типы полупроводниковых диодов

Наименование	УГО	Основная характеристика
Диод Общее обозначение	соответствует
p n
Диод Шоттки
Стабилитрон односторонний
Стабилитрон двухсторонний
Варикап
Диод светоизлучающий
Фотодиод
Оптрон диодный

Выпрямительные диоды:

Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения промышленной час­тоты (50 или 400 Гц) в постоянное. Основой диода является обыч­ный p-n – переход. В практических случаях p-n – переход диода имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений ди­од обычно выполняется из высокоомного материала.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды в соответствии с рисунком 1.13 являются:

- максимальный прямой ток I_{ПР max};

- падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока I_ПР (U_ПР от 0,3 до 0,7 В для германиевых диодов и U_ПР от 0,8 до 1,2 В для кремниевых);

- максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода

U_{ОБР max} ;

- обратный ток I_ОБР при заданном обратном напряжении U_ОБР (значение обратного тока германиевых диодов на два-три порядка больше, чем у кремниевых);

- барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;

- диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

- рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне от минус 60 до+70 °С, кремниевые - в диапазоне от минус 60 до +150 °С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

Рисунок 1.13 – ВАХ и параметры выпрямительных диодов

Вентильное свойство диодов, т.е. их способность хорошо пропускать ток в прямом направлении и практически не пропускать его в обратном, находит широкое применение для выпрямления переменного тока. Схема простейшего выпрямителя и его нагрузочной характеристики (при постоянном прямом смещении напряжения на диоде) имеют вид в соответствии с рисунком 1.14. Схема состоит из генератора переменного напряжения, диода и последовательно включенного к диоду нагрузочного резистора. При этом напряжение генератора U_Г делится между нагрузочным сопротивлением и диодом

. (1.30)

а) б)

Рисунок 1.14 – Простейшая схема включения выпрямительного диода и его нагрузочная характеристика

Ток, текущий в резисторе, определяется законом Ома

. (1.31)

ВАХ резистора – прямая линия. ВАХ диода (прямая ветвь) имеет экспоненциальный вид. Ясно, что ток, текущий в резисторе и диоде должен быть одинаков и равен току цепи. Точка А на ВАХ, для которой выполняется это условие, называется рабочей точкой, а величина — сопротивлением цепи по постоянному току.

При работе на переменном сигнале, когда входное напряжение есть U_Г(t), а выходное — U_R(t), в промежутки времени, когда к диоду приложено прямое напряжение (положительный полупериод) его сопротивление будет небольшим, и все входное напряжение будет практически падать на резисторе, а форма тока цепи — повторять форму входного напряжения в соответствии с рисунком 1.15. При отрицательном полупериоде диод смещен в обратном направление, его сопротивление станет велико, ток в цепи практически будет равен обратному току диода и большая часть входного сопротивления станет падать на диоде.

При протекании больших прямых токов I_ПР и определенном падении напряжения на диоде U_ПР в нем выделяется большая мощность. Для отвода данной мощности диод должен иметь большие размеры p-n-перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода используются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушное или даже жидкостное).

Среди выпрямительных диодов следует выделить особо диод с барьером Шоттки. Этот диод характеризуется высоким быстродейст­вием и малым падением напряжения (U_ПР < 0,6 В). К недостаткам диода следует отнести малое пробивное напряжение и большие обратные токи.

Рисунок 1.15 – Динамические характеристики простейшей схемы выпрямления

Таким образом, на гармоническом входном сигнале выпрямительный диод работает как однополупериодный выпрямитель.

Для того чтобы форма выходного напряжения лучше соответствовала постоянной величине, в схему выпрямления параллельно резистору включают нагрузочный конденсатор. Тогда выходное напряжение при положительном полупериоде станет определяться напряжением на емкости нагрузки C_Н и конденсатор при этом будет заряжаться током диода, а при отрицательном полупериоде – соответственно разряжаться. Величины C_Н и R подбирают таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось практически постоянным во времени.

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3, от 0,3 до 10 и свыше 10 А соответственно.

Для работы на высоких напряжениях (до 1500 В) предназначены выпрямительные столбы, представляющие собой последова­тельно соединенные p-n-переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие
I_{ПР max} до 1 А и U_{ОБР max} до 600 В.

Стабилитроны и стабисторы:

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого в соответствии с рисунком 1.16 имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения, т.е. с большим значением крутиз­ны DI/DU
(DI= I_{СТ max} – I_{СТ min}). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации U_СТ равно напряжению электрического (лавинного) пробоя p-n-перехода при некотором заданном токе стабилизации I_СТ в соответствии с рисунком 1.16. Стабилизирующие свойства ха­рактеризуются дифферен­циальным сопротивлением стабилитрона r_p-n = DU/DI, которое должно быть возможно меньше. К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации U_СТ, минимальный и максимальный токи стабилизации I_{СТ min}, I_{СТ max}.

Рисунок 1.16 – ВАХ и параметры стабилитрона

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: U_СТ от 3,3 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n-переходы. Внешние выводы прибора присоединяют к областям р-типа (анодам), что объясняет его название. При этом при любой полярности прикладываемого напряжения один из переходов всегда включен в обратном направлении и работает в режиме пробоя. Другой переход, включенный в прямом направлении, обеспечивает температурную стабилизацию прибора (малый уход электрических параметров при изменении температуры).

Для стабилизации напряжения стабилитрон используют согласно схеме, представленной на рисунке 1.17.

Тогда

(1.33)

В результате уравнение нагрузочной прямой примет вид

. (1.34)

Рисунок 1.17 – Схема использования стабилитрона

Точка пересечения этой прямой с ВАХ стабилитрона есть рабочая точка схемы. График нагрузочной характеристики стабилитрона имеет вид в соответствии с рисунком 1.18, из которого видно, что при изменении напряжения источника питания (на входе схемы) нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе. Т.к. колебания входного напряжения могут быть как положительными, так и отрицательными, то рабочая точка выбирается на средине участка стабилизации АВ. При этом ток, текущий через стабилитрон будет значительно изменяться в соответствии с колебаниями входного напряжения, но напряжение на выходе схемы (напряжение на стабилитроне) будет оставаться практически неизменным.

Рисунок 1.18 – Нагрузочные характеристики стабилитрона

В случае изменения сопротивления нагрузки (рисунок 1.18 вид б) при постоянном напряжении источника питания изменяется наклон нагрузочной прямой. При этом так же, как и в рассмотренном выше случае, изменяться будет ток, текущий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне останется постоянным.

Параметры схемы стабилизации выбирают таким образом, чтобы при изменении нагрузки и входного напряжения выполнялись неравенства

. (1.34)

Кроме стабилизации постоянного напряжения стабилитроны используют в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Разновидностью стабилитрона является стабистор, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ диода. Отличительная особенность стабисторов по сравнению со стабилитронами заключается в меньшем напряжении стабилизации, составляющем примерно 0,7 В при комнатной температуре. Стабисторы могут применяться совместно со стабилитронами в качестве термокомпенсирующих элементов.

Варикапы:

Варикапом называется полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем используется свойство p-n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения в соответствии с рисунком 1.19.

Рисунок 1.19 – Зависимость емкости варикапа от напряжения

Основные параметры варикапа: номинальная емкость С_Н при заданном номинальным напряжением U_Н (обычно 4 В), максимальное обратное напря- жение U_{ОБР max} и добротность Q.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка резонансной частоты колебательных контуров. Включение варикапа в цепь для этой цели выполняют по схеме в соответствии с рисунком 1.20.

Постоянный конденсатор С1 необходим для того, чтобы исключить попадание постоянного напряжения в цепь с переменным напряжением. Его величина всегда много больше переменной емкости варикапа.

Рисунок 1.20 – Схема включения варикапа в колебательный контур

Параметры схемы выбирают на основе соотношений:

(1.35)

Основным полупроводниковым материалом для изготовления варикапов служит кремний. Используется также арсенид галлия, обеспечивающий меньшее сопротивление базы.

В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах используется и диффузионная емкость.

Универсальные и импульсные диоды:

Они применяются для преобразования высокочастотных и им­пульсных сигналов. В данных диодах необходимо обеспечить мини­мальные значения реактивных параметров, что достигается благо­даря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью. Для уменьшения времени жизни t используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в за­прещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации и следовательно уменьшается С_ДИФ.

Разновидностью универсальных диодов является диод с короткой базой. В таком диоде протяженность базы меньше диффузион­ной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носителей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (временем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади p-n-перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площади являются маломощными.

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоплением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обратного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму в соответствии с рисунком 1.21. При этом значение t₁ может быть значительным, но t₂ должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Получение малой длительности t₂ связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя p-n-перехода путем неравномерного распределения примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришедших через обедненный слой при прямом напряжении, и поэтому препятствует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их компактнее концентрироваться вблизи границы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способство­вать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехо­да. В момент t₁, когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный за­ряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время t₂ спадания обратного тока до значения I₀.

Рисунок 1.21 – Временные диаграммы тока через импульсный диод