Краткие теоретические сведения. Полупроводниковый диод – устройство, имеющее два внешних вывода и предназначенное для преобразования электрических сигналов путем использования контактных

Полупроводниковый диод – устройство, имеющее два внешних вывода и предназначенное для преобразования электрических сигналов путем использования контактных явлений и свойств электронно-дырочных переходов в полупроводниках.

Полупроводниковые диоды классифицируются по назначению, конструктивным признакам и процессам в используемых электронно-дырочных переходах.

Основные конструктивные типы:

– точечные – с минимальной площадью контакта (обычно металл-полупроводник);

– плоскостные – с неминимизированной площадью электронно-дырочного перехода, получаемого путем сплавления;

– диффузионные – с организацией электронно-дырочного перехода путем диффузии в основу n -типа акцепторной примеси или наоборот;

– планарные – выполняемые на плоскости с получением нужной конфигурации и свойств переходов путем диффузии и локального химического травления;

– многослойные – содержащие более одного перехода.

Полупроводниковая основа (пластина или диск) обычно n -типа, на которой выполняется диод, называется базой, с помощью металлического контакта к ней крепится внешний базовый вывод диода. Функция базовой области диода – собирать носители, инжектированные из другой области диода – эмиттера, поэтому концентрация носителей в базе всегда меньше, чем в эмиттере, ее объемное сопротивление относительно велико и сравнимо с сопротивлением открытого перехода (в специальных и многопереходных диодах это может не соблюдаться).

На основе перехода изготавливают выпрямительные и импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ, фотодиоды, светоизлучающие диоды, полупроводниковые квантовые генераторы.

Выпрямительные диоды основаны на использовании свойств односторонней проводимости перехода. Подразделяются на собственно выпрямительные диоды (средний выпрямленный ток ≤ 10 А) и силовые вентили. В основе тех и других лежит плоскостной переход.

Вольт-амперная характеристика выпрямительных диодов (рисунок 3) несколько отличается от вольт-амперной характеристики перехода, так как в конструкции выпрямительных диодов имеются еще два дополнительных контакта типа металл полупроводник, использующихся для крепления внешних выводов.

Рисунок 3 – Вольт-амперная характеристика выпрямительных диодов

Зависимость обратного тока от приложенного обратного напряжения не имеет участка насыщения из-за влияния тока поверхностной утечки , тока термогенерации пар носителей заряда в области перехода и явления лавинного размножения носителей в нем в результате ионизации нейтральных атомов неосновными носителями, получившими большое ускорение полем перехода.

К основным параметрам выпрямительных диодов, как и многих диодов, относятся:

– среднее значение прямого тока, вызывающее допустимый нагрев диода при определенных условиях охлаждения;

– среднее значение напряжения на диоде при прохождении ;

– предельно допустимое значение прямого тока через диод;

– максимальное обратное напряжение (при превышении которого наступает пробой);

– допустимая мощность рассеивания;

– ток протекающий через диод при приложении обратного напряжения;

– статические сопротивления диода в прямом и обратном включениях;

– динамические сопротивления диода в прямом и обратном включениях;

– предельная частота обрабатываемого сигнала, на которой среднее значение выпрямленного тока уменьшается до заданного предела. Диапазон частот обрабатываемого сигнала ограничивается конечной скоростью движения носителей заряда и действием паразитной емкости перехода.

Большинство основных параметров диода может быть определено по вольт-амперной характеристике, например,

; .

Диоды СВЧ имеют несколько конструктивных и принципиальных разновидностей, направленных на уменьшение паразитных реактивностей конструкции и потерь преобразования. К ним относятся диоды Шотки, точечные, с накоплением заряда и др.

Импульсные диоды предназначены для работы в режиме переключения в импульсных схемах и должны иметь минимальную длительность переходных процессов.

Кроме обычных параметров, учитываются:

– время восстановления, за которое инжектированные в базу при прямом напряжении носители рассеиваются (переходят обратно в эмиттер или рекомбинируют), то есть время установления заданной величины обратного тока при переключении напряжения с прямого на обратное;

– прямое импульсное сопротивление, равное отношению максимального всплеска прямого напряжения к величине вызвавшего его импульса тока;

– максимальный импульс прямого тока.

Варикапы – диоды, применяемые в качестве нелинейных конденсаторов с электрически управляемой величиной емкости. В диоде можно рассматривать две емкости – барьерную, обусловленную величиной и расположением объемных зарядов при закрытом переходе, и диффузионную, вызванную накоплением заряда в базе при инжекции основных носителей из эмиттера. Последняя не применяется из-за низкой добротности и сильной зависимости от температуры и частоты. Барьерная емкость прямо пропорциональна площади перехода и обратно пропорциональна его толщине, то есть расстоянию между объемными зарядами, которое растет с увеличением обратного приложенного напряжения. Эта зависимость иллюстрируется вольт-фарадной характеристикой варикапа (рисунок 4).

Рисунок 4 – Вольт-фарадная характеристика варикапов

Основные параметры:

– номинальная емкость;

и – максимальная и минимальная емкости при соответствующих напряжениях;

– добротность;

– температурный коэффициент емкости.

Стабилитроны. При больших обратных смещениях резко возрастает обратный ток вследствие пробоя перехода (рисунок 5).

Рисунок 5 – Вольт-амперная характеристика стабилитронов

Пробой возникает при достаточно сильном электрическом поле, когда неосновные носители ускоряются настолько, что ионизируют атомы полупроводника. Если мощность, выделяющаяся в переходе, поддерживается на допустимом уровне, диод сохраняет работоспособность и после пробоя. Такой пробой является основным рабочим режимом для диодов, называемых стабилитронами.

Полупроводниковые диоды применяются в качестве дискретных компонентов линейных и нелинейных электронных схем для выпрямления переменного тока (в источниках питания и других функциональных узлах), ограничителей, смесителей, видеодетекторов, модуляторов (умножителей), параметрических приборов, преобразователей оптического излучения в электрический ток и наоборот.

Выпрямители. Поскольку полупроводниковые диоды проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока. На практике наибольшее применение нашли следующие схемы выпрямителей:

при питании от сети однофазного тока:

- однополупериодная;

- однополупериодная схема удвоения напряжения;

- двухполупериодная со средней точкой;

- двухполупериодная – без средней точки (мостовая) и т.д.