Общие сведения. Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n-переходами и двумя выводами

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n- переходами и двумя выводами.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1, а, б.

а б

Рис. 1

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p -типа и n -типа. Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Одна из областей p-n- структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в p-n- переходе различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы. Каждый тип диода содержит ряд типономиналов, регламентированных соответствующим ГОСТом.

На рис. 2 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов. База и эмиттер образуют омические переходы (контакт) с электродами. К электродам подсоединены металлические выводы, посредством которых диод включается в цепь.

а б

Рис. 2

Основной характеристикой полупроводниковых диодов служит вольт-амперная характеристика. В отличие от характеристики идеального p-n- перехода (пунктирная кривая на рис. 3,а), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис. 3,а) в области прямых напряжений U располагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объёмном сопротивлении базы диода r.

Уравнение вольт-амперной характеристики имеет вид:

где U - напряжение на p-n- переходе; I₀ -обратный (или тепловой) ток, - температурный потенциал электрона.

а б

Рис. 3

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объёме полупроводника. При достижении обратным напряжением определённого критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода:

электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. Электрический пробой бывает двух видов - лавинный и туннельный.

Полупроводниковые диоды отличаются друг от друга материалом полу-

проводника. Наиболее часто в них используют германий или кремний. Вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов представлены на рис. 3,б. При повышении температуры абсолютная величина изменения обратного тока в кремниевом диоде (рис. 4,а) значительно меньше, чем в германиевом (рис. 4,б).

а б

Рис. 4

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц – 100 кГц. В них используется главное свойство p-n -перехода – односторонняя проводимость. Главная особенность выпрямительных диодов большие площади p-n -перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение U_пр.._ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_{обр. ср} — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр. mах} (U_{обр. и mах}) – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп. ср mах} — средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Максимальная частота f_тах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока за счет односторонней проводимости диодов.

Рис.5

На рис. 5 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Работа выпрямителя происходит следующим образом. Если генератор вырабатывает синусоидальное напряжение,

e(t) = Е_m sin w t,

то в течение положительного (+) полупериода напряжение для диода является прямым, его сопротивление мало, и через резистор проходит ток, который создает на резисторе R_Н падение напряжения U_{вых ,} повторяющее входное напряжение e(t). В следующий, отрицательный (-) полупериод, напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно, U_вых = 0. Таким образом, через диод и R_Н протекает пульсирующий выпрямленный ток. Он создает на резисторе R_Н пульсирующее выпрямленное напряжение U_вых.

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение U _ср (за полупериод):

U_cp = U_max / p =0,318 U_max

Таким образом, U _ср составляет около 30% от максимального значения.

Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.

Высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды применяют для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов. Их основные параметры:

Максимально допустимые обратные напряжения U_{обр. mа х} (U_{обр. и mа х}) – постоянные (импульсные) обратные напряжения, превышение которых приводит к его немедленному повреждению.

Постоянное прямое напряжение U_пр – падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока I_пр – заданного ТУ.

Постоянный обратный ток I_обр — ток через диод при постоянном обратном напряжении (U_{обр мах}). Чем меньше I_обр, тем качественнее диод.

Емкость диода С_д — емкость между выводами при заданном напряжении. При увеличении обратного напряжения (по модулю) емкость С_д уменьшается.

При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода, что характеризуется следующими параметрами.

1) Время установления прямого напряжения на диоде (t _уст) – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис. 6,а).

а б

Рис. 6

Это время связанно со скоростью диффузии и состоит в уменьшении сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда, инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.

2) Время восстановления обратного сопротивления диода (t _восст.) определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис. 6, б), обычно 10% от максимального обратного тока. Это время связано с рассасыванием в базе неосновных носителей заряда, накопленных при протекании прямого тока. Оно состоит из двух составляющих t _восст.= t_{1 .}+ t_{2 .}, где t_{1 .} – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п- перехода обращается в ноль; t_{2 .} – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объеме базы диода. В целом время восстановления это время выключения диода.

Там, где требуется малое время переключения, используют диоды Шотки. Они имеют переход металл — полупроводник, который обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значения порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.