Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом. Различают точечные и плоскостные (рис. 5) диоды. В стеклянном или металлическом корпусе 2 точечного диода крепится германиевый или кремниевый кристалл п- типа 3 площадью порядка 1 мм² и толщиной 0,5 мм, к которому прижимается стальная или бронзовая игла 4, легированная акцепторной присадкой. Прибор включается в схемы через выводы 1. В процессе формовки через контакт иглы с кристаллом пропускают мощные импульсы тока. При этом кончик иглы оплавляется и часть акцепторной примеси внедряется в кристалл. Вокруг иглы образуется микроскопическая (точечная) область с дырочной электропроводностью. На полусферической границе этой области с кристаллом n -типа возникает электронно-дырочный переход.

Малая площадь р-п- перехода в точечном диоде обеспечивает ему минимальное значение межэлектродной емкости.

Площадь р-п- перехода плоскостных диодов достигает десятков и сотен мм². Для получения таких площадей используют методы сплавления или диффузии. При методе сплавления на пластинку кристалла с донорной примесью помешают таблетку акцепторной примеси, которая расплавляется при нагреве в печи. Расплав частично проникает в кристалл и образует область р- типа, граничащую с массой кристалла. У этой границы возникает р-п- переход.

Основной характеристикой диода служит его вольтамперная характеристика, вид которой совпадает с видом характеристики р-п- перехода (см. рис. 3). Вольтамперная характеристика диода существенно зависит от температуры окружающей среды, с повышением которой прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. При заданном прямом токе с увеличением температуры снижается прямое напряжение между электродами диода.

Существенным образом влияет температура окружающей среды и на обратный ток, который тоже возрастает с увеличением температуры. При увеличении температуры окружающей среды выше определенного значения уже при небольших обратных напряжениях развивается тепловой пробой р-п- перехода и диод выходит из строя. Работоспособность германиевых диодов теряется при температуре около 70°С, а кремниевых - при 200°С. Высокая термическая устойчивость кремния - важнейшее его преимущество по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. Кремниевые диоды допускают плотность тока в прямом направлении 10 А/мм² и более, что позволяет изготовлять мощные полупроводниковые устройства с относительно небольшими массами и габаритами.

Одна из важных характеристик диода - пробивное обратное напряжение. Это напряжение зависит от ширины обедненного слоя и у современных плоскостных диодов равно сотням и тысячам вольт. Оно несколько увеличивается с повышением температуры, не выходящим за пределы работоспособности диода.

Внутреннее сопротивление плоскостных диодов прямому току при номинальных режимах работы составляет десятые доли Ом, с повышением температуры оно уменьшается.

Применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно. Рассмотрим наиболее характерные случаи.

Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными. Плоскостные диоды малой и средней мощности широко используют в схемах питания радиоаппаратуры, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производствах.

Для характеристики выпрямительных свойств диодов вводится коэффициент выпрямления, равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении (например, 1 В). Чем выше коэффициент выпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.