4. Полупроводниковые диоды

Диод – это полупроводниковый прибор, имеющий малое сопротивление проходящему по нему току в прямом и большое сопротивление в обратном направлении. Работа диодов основана на p–n– переходе.

По конструктивно-технологическим признакам (рис. 1) диоды делятся на точечные и плоскостные. У первых p-nпереход образуется в месте контакта металлической иглы с полупроводниковой пластиной, у вторых – на границе раздела полупроводников с разной электропроводимостью.

У плоскостных диодов больше площадь проводного слоя и поэтому они пропускают большие токи. Недостаток – большая емкость проводного слоя, в связи с чем они не могут применяться при больших частотах.

Для изготовления диодов применяют германий (не выше + 70 С), кремний (до 125-150 С), арсенид и фосфид галлия.

По применению диоды бывают выпрямительные, универсальные, импульсные, варикапы, туннельные и туннельные обращенные, излучающие, сверхвысокочастотные, стабилитроны и стабисторы (условные обозначения см. на рис. 2, внешний вид некоторых диодов – на рис. 3).

Вольтамперная характеристика диода выражает зависимость тока I, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к нему напряжения U (рис. 4).

Чем круче прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно большом обратном напряжении наступает пробой, т.е. резко возрастает обратный ток и диод перестает выполнять свои функции.

Выпрямительные диодыпредназначены для выпрямления тока низкой частоты (менее 50 Гц), выполнены обычно плоскостными для передачи больших токов, материал полупроводника – кремний.

Основные параметры:

• постоянное прямое и обратное напряжение при заданном постоянном токе;

• постоянный прямой ток в прямом направлении;

• постоянный обратный ток при заданном обратном напряжении.

Максимально допустимые параметры:

• максимально допустимое постоянное обратное напряжение;

• максимально допустимый постоянный прямой ток;

• максимально допустимый средний прямой ток;

• максимально допустимый средний выпрямленный прямой ток;

• максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность диода.

Высокочастотные диоды – приборы универсального назначения: для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), для модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований. По конструкции – точечные диоды. Имеют те же свойства, что и выпрямительные, но в гораздо более широком частотном диапазоне.

Импульсные диодыпредназначены для преобразования импульсных сигналов (в детекторах видеосигналов, ключевых и логических устройствах), в основном – точечной конструкции.

Основные параметры:

• импульсное (пиковое) прямое напряжение при заданном импульсе прямого тока;

• импульсное (пиковое) обратное напряжение;

• емкость, измеренная между выводами диода при заданных напряжении и частоте;

• время установления прямого напряжения – интервал времени с момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного прямого напряжения;

• время восстановления обратного сопротивления – интервал времени с момента прохождения через нуль после переключения диода из состояния заданного тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения заданного обратного тока;

• заряд переключения – часть накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратное.

К максимально допустимымпараметрам относятся: максимально допустимый прямой импульсный ток, максимальная и минимальная рабочие температуры.

Внешне импульсные диоды представляют собой небольшой (несколько миллиметров в длину) стеклянный (старые конструкции) или пластмассовый корпус различной конфигурации с двумя металлическими выводами.

Стабилитроны и стабисторы.

Эти полупроводниковые приборы предназначены для стабилизации уровня напряжения при изменении протекающего через диод тока. У стабилитронов рабочим является пробойный участок вольтамперной характеристики в области обратных напряжений (рис. 5). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при значительном изменении тока, протекающего через диод.

У стабисторов рабочим служит прямой участок вольтамперной характеристики (рис. 6).

Основные параметры:

• напряжение стабилизации – напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации;

• допускаемый разброс напряжений стабилизации – отклонение напряжения стабилизации от номинального;

• температурный коэффициент напряжения стабилизации – отношение изменения напряжения стабилизации к изменению температуры при постоянном токе стабилизации;

• полная емкость стабилитрона – емкость между выводами при заданном напряжении.

К максимальным допустимым параметрам относятся максимальный и минимальный токи стабилизации, максимальный прямой ток, максимальный импульсный прямой ток, максимальная рассеиваемая мощность.

Внешне стабилитроны и стабисторы напоминают обычные диоды (рис. 3).

Варикапы.

Это полупроводниковые диоды специальной конструкции, емкость которых можно изменять в значительных пределах. С изменением обратного напряжения Uемкостьp - nперехода изменяется по закону:

где С_U– емкость диода при напряженииU;С₀– то же при нулевом обратном напряжении,_К– контактный потенциал, составляет доли вольта;n– коэффициент, зависящий от типа варикапа, равен 2‑3.

Варикапы используют для электронной подстройки частоты, генераторах, гетеродинах. Варикап, предназначенный для умножения частоты сигнала, называют варактором.

Основные параметры:

• емкость варикапа, измеряется между выводами при заданном обратном напряжении;

• коэффициент перекрытия по емкости – отношение емкостей при двух заданных обратных напряжениях;

• добротность варикапа – отношение реактивного сопротивления на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданной емкости или обратном напряжении;

• постоянный обратный ток, протекающий диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

К максимально допустимым параметрамотносятся обратное напряжение и максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Внешне варикапы похожи на обычные диоды (рис. 3).

Туннельный диод.

Это диод, вольтамперная характеристика которого (рис. 7) содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (отношение приращения напряжения к приращению тока).

Рис. 7. Вольтамперная характеристика туннельного диода

Такая характеристика позволяет использовать диод в усилителях, генераторах, импульсных устройствах. Туннельный диод выполняет свои функции в некотором пределе по частоте f_r:

где С_Д– емкость диода,r_Д– дифференциальное сопротивление (величина, обратная крутизне вольтамперной характеристики),r_П – суммарное сопротивление кристалла, контактных присоединений и выводов.

Остальные основные параметры:

• пиковый ток I_П – прямой ток в точке максимума вольтамперной характеристики;

• ток впадины I_Впрямой ток в точке минимума вольтамперной характеристики;

• напряжение пика U_П– прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

• напряжение впадины U_В– прямое напряжение, соответствующее току впадины;

• напряжение раствора U_РР– прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому;

• индуктивность диода L_Д– полная последовательная эквивалентная индуктивность диода при заданных условиях;

• резонансная частота f₀– расчетная частота, при которой общее реактивное сопротивлениеp–nперехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в нуль;

• шумовая постоянная К_Ш– определяет шум диода.

Максимально допустимые параметры: максимальный допустимый прямой, обратный и импульсный токи, максимально допустимая рассеиваемая СВЧ – мощность.

Обращенный туннельный диод.

Это туннельный диод с очень маленьким значением пикового тока, так же как у туннельных, у них ток при малых обратных смещениях больше, чем у прямых. Поэтому проводящим участком у них является обратная ветвь вольтамперной характеристики (рис. 9).

Рис. 9. Вольтамперная характеристика обращенного туннельного диода

Основные параметры обращенных туннельных диодов такие же, как у туннельных, кроме U_РР. Дополнительно задаются параметры обратной ветви характеристики (напряжение при заданном обратном токе).

Внешне туннельные диоды представляют собой небольшой цилиндр высотой 2-3 мм и диаметром 4-6 мм с двумя выврдами.

Светодиод

Специально сконструированный полупроводниковый прибор, создающий некогерентное оптическое излучение определенного спектрального состава при прохождении через него прямого тока. В зависимости от конструкции и выбранных материалов прозрачного корпуса излучение диода может лежать в инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.

Основные характеристики светодиодов: мощность излучения, быстродействие, эффективность преобразования электрического сигнала в световой, вольтамперная и спектральная характеристики, пространственное распределение излучения. Характеристики светодиодов имеют значительный разброс и сильно зависят от температуры.

Светодиоды используются как световые индикаторы и источники излучения в оптоэлектронных парах. Конструкции некоторых светодиодов изображены на рис. 10.

Фотодиод.

Полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней проводимости, возникающей при воздействии на него оптического излучения. Наиболее распространенным типом фотодиода являются конструкции с p‑i‑n‑переходом.

Различают два вида работы фотодиодов:

• фотодиодный, когда во внешней цепи имеется источник питания, создающий на полупроводнике обратное смещение, а под действием оптического излучения, попадающего на фотодиод, возрастает обратный ток;

• фотовольтаический(вентильный), когда источник во внешней цепи отсутствует, а попадающее на диод оптическое излучение приводит к появлению фототока (явление фотоЭДС).

Фотодиоды широко применяются в устройствах оптоэлектроники, автоматики, вычислительной и измерительной техники. По внешнему виду они, как правило, представляют собой различных размеров короткие цилиндры с прозрачной торцевой стенкой.

Полярность диодов, как правило, определяется конструктивно, либо нанесением на корпус изображения диода или цветной точки, обозначающей «плюс». Иногда у диодов «плюсовой» вывод делается явно длиннее, чем «минусовой».

Контрольные вопросы

1. Что такое диод и на чем основана его работа?

2. Чем отличается точечный диод от плоскостного?

3. Нарисуйте вольтамперную характеристику диода и объясните его работу.

4. Для чего используются выпрямительные и импульсные диоды?

5. Какие основные параметры имеют диоды?

6. Что такое «стабилитрон», и для чего он используется?

7. Нарисуйте вольтамперную характеристику стабилитрона и стабистора и объясните их работу.

8. Какие основные параметры имеют стабилитроны?

9. Что такое светодиод и фотодиод, и для чего они используются?