5. Основные типы полупроводниковых диодов
Полупроводниковые диоды подразделяют на группы по многим признакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции.
Классификация и условные графические обозначения диодов представлены на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Классификация и условные графические обозначения диодов
В зависимости от структуры различают плоскостные и точечные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, равны толщине перехода или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше его толщины.
5.1. Устройство точечных диодов
Точечные диоды выполнены в виде тонкой пластинки из полупроводника n-типа. Пластинку покрывают тонким слоем металла и припаивают к металлическому основанию. В противоположную сторону пластинки упирается острие тонкой контактной пружины из вольфрамовой или стальной проволоки. Острый конец проволоки покрывают слоем индия или алюминия, который является акцепторной примесью и обеспечивает создание около острия области с p-типом проводимости.
Между этой областью и основной массой полупроводника образуется p-n-переход площадью 10-12 мкм2. Диоды монтируют в стеклянном, коваровом или металлическом герметичном корпусе (ковар – магнитный сплав железа (531%) с кобальтом (18 %) и никелем (29 %), обладающий низким температурным коэффициентом расширения, близким к температурному коэффициенту расширения стекла). На концах его установлены коваровые трубки с выводами. Для улучшения вентильных свойств после сборки диоды подвергают электрической формовке путем пропускания импульсов тока. При формовке происходит частичное расплавление и диффузия атомов индия или алюминия в основной полупроводник.
Из-за малой площади контакта прямой ток точечных диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ – диоды). В основном точечные диоды используют для выпрямления.
5.2. Устройство плоскостных диодов
В плоскостных диодах основным элементом является пластинка из германия или кремния, в которой методом сплавления или диффузии создан плоский по форме p-n-переход.
В плоскостных германиевых диодах, получаемых сплавным методом, в пластинку из германия с n-проводимостью вплавляют каплю индия. При нагреве индий плавится и диффундирует в основной полупроводник, образуя в нем область с p-проводимостью. На границе между p- и n-областями создается ЭДП значительно большей площади, чем в точечном диоде с гораздо большим прямым током.
В плоскостных кремниевых диодах в пластинку с n-проводимостью вплавляют алюминиевый столбик, который создает область с p-типом проводимости. Для получения в кремнии сильно легированной зоны с n-проводимостью одну из сторон пластинки перед операцией сплавления покрывают фольгой (или напыляют слой сурьмянистого золота). Такой p-n-переход может изменять свои электрические характеристики под влиянием атмосферных воздействий, влаги и загрязнений. Для защиты диода от внешней среды пластинку из полупроводника вместе с припаянными к ней выводами устанавливают в металлический корпус, который затем герметизируют. Корпус также защищает полупроводниковый элемент от механических повреждений и обеспечивает нормальную работу диода в условиях вибрации, тряски и ударов.
В верхней части корпуса монтируют стеклянный изолятор, через который проходит выводная трубка. Для лучшего отвода тепла в некоторых плоскостных диодах применяют охладители – металлические пластинки из меди или алюминия, платы или специальные радиаторы.
Выпрямительный полупроводниковый диод – диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.
Маломощные выпрямительные диоды и диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют конструкцию, аналогичную конструкции точечных диодов.
На тяговых подстанциях и электроподвижном составе применяют мощные силовые кремниевые плоскостные диоды.