3. Полупроводниковые диоды

3.1. Общие характеристики диодов

Д

Рис. 3.1. Устройство полупроводникового диода

иод– это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами (рис. 3.1). База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты сn- иp-областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.

Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрическом переходе, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Различают диоды:

в зависимости от назначения:

• выпрямительные;

• стабилитроны;

• варикапы;

• туннельные;

• импульсные и др.;

по применяемым исходным материалам:

• германиевые;

• кремниевые;

• из арсенида галлия;

по технологии изготовления:

• сплавные;

• диффузионные;

• планарные;

по частотному диапазону:

• низкочастотные;

• высокочастотные;

• СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода:

• плоскостные;

• точечные.

Плоскостнымназывают р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.

Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германияn-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводникаn-типа – базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.

В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем диффузии из газовой фазы атомов примеси в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.

Вточечныхдиодах (рис. 3.2, б) выпрямляющийp-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10...20 мкм) и кристаллом полупроводника обычноn-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводникаp-типа. Точечные диоды вследствие малой площадиp-n-перехода выпускаются на малые токи.

Т

Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики: 1 –n-p-перехода, 2 –диода

еоретические вольт-амперные характеристикиn-p-перехода и полупроводникового диода (рис.3.3) несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы (r_б), которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Падение напряжения на сопротивленииr_бстановится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате, напряжение непосредственно наn-р-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:

.

Отсюда напряжение, приложенное к диоду, равно:

U_эб=Ir_б+U_pn.

Необходимо заметить, что сопротивление базы (r_б) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I₀. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называетсятоком термогенерации(I_тг). С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и токI_тгтакже увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки(I_у). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемыйI_обр, определяется как сумма токов:

I_обр=I₀ +I_тг+I_у.

Каждый тип диодов характеризуется параметрами – величинами, определяющими основные свойства приборов, а также имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:

• постоянный обратный ток диода (I_обр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

• постоянное обратное напряжение диода (U_обр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;

• постоянный прямой ток диода (I_пр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

• постоянное прямое напряжение диода (U_пр) – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры– параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:

• максимально допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах);

• максимально допустимый постоянный прямой ток (I_{пр. mах}), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;

• максимально допустимое постоянное обратное напряжение (U_{обр. mах});

• дифференциальное сопротивление (r_диф);

• минимальная (Т_мин) и максимальная (Т_mах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах) определяется тепловым сопротивлением диода (R_т), допустимой температурой перехода (Т_{п mах}) и температурой окружающей среды (Т_о) в соответствии с соотношением:

.

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

.

Обратное максимально допустимое напряжение (U_{обр. mах}) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:

U_{обр max}≈ 0,8U_проб.

Дифференциальное сопротивление (r_диф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

.

Сопротивление r_дифзависит от режима работы диода.

Минимальная температура окружающей среды (Т_мин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Т_макс= +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Обозначение диодов состоит из шести символов:

• первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 – германий;

К или 2 – кремний;

А или 3 – соединения галлия;

• второй символ (буква) указывает подкласс приборов:

  А – сверхвысокочастотный;	Б – с объёмным эффектом Ганна;
  В – варикапы;	Г – генераторы шума;
  Д – выпрямительные, универсальные, импульсные;	И – туннельные и обращенные;
  К – стабилизаторы тока;	Л – излучающие;
  Н – динисторы;	С – стабилитроны стабисторы;
  У – тиристоры;	Ц – выпрямительные столбы и блоки;

• третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).

• четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).

• шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.