Глава 2. Полупроводниковые диоды

2.1. Понятие, конструкция p–n перехода диода, системы маркировки диодов

Полупроводниковым диодом называется ПП прибор с двумя выводами и содержащий один или несколько p–n переходов.

В группу ПП диодов входят выпрямительные, высокочастотные, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды, неуправляемые и управляемые многослойные переключающие диоды (динисторы и тринисторы), свето и фотодиоды.

Конструкция p–n перехода.

По конструкции p–n перехода диоды делятся на плоскостные и точечные. Плоскостной диод характеризуется тем, что размер площади p–n перехода значительно больше его толщины (рис. 2.1,а).

Такие диоды могут пропускать большой ток, но из-за значительной площади p-n перехода у них велика барьерная ёмкость. Это снижает величину максимальной частоты проходящего через них тока.

Точечные диоды характеризуются тем, что площадь p – n перехода соизмерима с толщиной перехода или меньше его (рис. 2.1,б). При его изготовлении к поверхности отшлифованной пластины германия или кремния n–проводимостью прижимают (подпружинивают) заострённую металлическую иглу, выполненную, например, из бериллиевой бронзы. В месте соприкосновения бериллиевой иглы с полупроводником в результате дефундирования бериллия образуется некоторая область с дырочной проводимостью. Между этой областью P и полупроводником образуется p–n переход. Алюминиевые пластины (рис. 2.1) используются для присоединения выводов к полупроводникам. Из-за малой площади точечного p–n перехода через точечный диод может протекать ток небольшой величины. По этой же причине барьерная ёмкость точечного диода мала, что значительно увеличивает значение максимальной частоты протекающего тока.

Маркировка.

В системе обозначений (маркеров) диодов отображаются материал, конструкция перехода, область применения и предельные электрические свойства диода [2]. Существенно отличается система условных обозначений до 1964 г. после 1964 г.

У диодов малой мощности (радиотехнического применения), разработанных до 1964 г. условные обозначения состояли из трёх элементов.

• Первый элемент обозначения – буква Д, которая характеризует всю группу полупроводниковых диодов.

• Второй элемент обозначения – число от однозначного до четырёхзначного, которое указывает на материал, конструкция p–n перехода, область применения диода. Приведём некоторые из этих чисел.

от 1 до 100 – точечные германиевые диоды,

от 101 до 200 – точечные кремниевые диоды,

от 201 до 300 – плоскостные кремниевые диоды,

от 301 до 400 – плоскостные германиевые диоды,

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

от 701 до 800 – какие – то диоды

от 801 до 900 – стабилитроны, (Д814, Д816)

от 901 до 950 – варикапы,

от 951 до 1000 – туннельные диоды,

от 1001 до 1100 – выпрямительные столбы.

• Третий элемент обозначения – буква, указывающая на разновидность прибора по электрическим величинам (ток, прямое и обратное напряжение и т. д.).

В 1964 г. была утверждена новая система обозначений (ГОСТ 10862 – 64). Она стала базовой для дальнейших гостов, несколько уточняющих её, таких как ГОСТ 10862 – 72, который начал действовать с 1973 г. и отраслевой стандарт ОСТ 11 336.919 – 81, который начал действовать с 1982 г. и действует в настоящее время. В соответствии с ним в условных обозначениях диодов используются четыре основных элемента и пятый – дополнительный.

• Первый элемент – буква или цифра, определяющая исходный полупроводниковый материал:

1 или Г – германий или его соединения;

2 или К – кремний или его соединения;

3 или А – соединения галлия;

4 или И – соединения индия.

Присутствие цифры говорит о том, что этот диод может использоваться при более высоких температурах, чем диод с буквенным обозначением материала.

• Второй элемент – буква, обозначающая назначение прибора (подкласс или группу):

Д – диоды выпрямительные, импульсные, диоды преобразователи (термодиоды, магнитодиоды и т. д.);

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

В – варикапы;

И – туннельные и обращенные диоды;

А – сверхвысокочастотные диоды;

Ж – стабилизаторы тока;

С – стабилизаторы напряжения (стабилитроны).

• Третий элемент – цифра (1÷9), определяющая назначение или принцип действия прибора.

Для диодов:

1 – выпрямительные, со средним значением тока не более 0,3 А;

2 – со средним значением тока более 0,3 А;

3 – диодные преобразователи, и т. д.

• Четвертый элемент – двузначные числа от 01 до 99, указывающие порядковый номер разработки, в котором отображается отличие электрических параметров. Допускается использование трехзначных чисел от 101 до 999 при условии, что порядковый номер разработки превышает число 99.

• Пятый элемент – буква русского алфавита (с некоторым исключением [г]), в качестве классификационной литеры (буквы).

Возможно дополнительное шестое обозначение [2]. – через дефис цифра.

2.2. Выпрямительный диод

Выпрямительным ПП диодом называется ПП предназначенный для преобразования переменного (двухполярного) тока в постоянный (однополярный) ток значительной величины и «малой» частоты. По конструкции выпрямительный диод содержит один p–n переход, который располагается в металлическом или керамическом корпусе, т. к. выпрямительные диоды предназначены для пропускания значительных токов (от долей ампер до десятков ампер), то поэтому p–n переход выпрямительного диода имеет плоскостную конструкцию. Следствием этого является значительная барьерная ёмкость p–n перехода, что ведёт к ограничению частоты пропускаемого тока через диод.

Вольтамперная характеристика диода (рис. 1.10,а) повторяет ВАХ

p–n перехода. На рис. 1.10,б показано условное графическое обозначение выпрямительного диода и полярность напряжения при прямом включении диода.

Вывод диода, к которому подключается плюс прямого напряжения, называется анодом. Второй вывод диода называется катодом.

Основными электрическими параметрами выпрямительного диода являются следующие:

U_пр – прямое падение напряжения, это падение напряжения на диоде при прямом включении и заданном прямом токе;

U_обр – обратное напряжение, это максимальное значение обратного напряжения, при котором не происходит электрического пробоя;

I_пр.max – прямой ток диода, это величина максимально допустимого прямого тока через диод при постоянном прямом напряжении, при котором не происходит теплового пробоя p–n перехода;

I_пр.ср. – средний прямой ток, это допустимое среднее значение за период прямого тока диода;

С_д – общая ёмкость диода, это ёмкость между выводами диода при заданном напряжении, включающая барьерную ёмкость p–n перехода и паразитную ёмкость конструктивных элементов диода;

f_max – максимальная частота, это максимальное значение частоты, при которой диод сохраняет свойства однопроводности;

I_обр – обратный ток диода при обратном напряжении равном U_обр, это ток, при котором сохраняются его однонаправленные свойства.

R_{д пр} – прямое сопротивление диода, это сопротивление диода при прямом включении, которое определяется отношением U_пр к I_пр.max и величина его составляет десятые доли Ом.

R_{д обр} – обратное сопротивление диода, это сопротивление диода при обратном включении, которое определяется отношением U_обр к I_обр и составляет сотни кОм.

Выпрямительные диоды изготовляются из кремния или германия. В зависимости от материала, из которого выполнены диоды, изменяются значения его электрических величин (Таблица 1).

Таблица 1 – Значения электрических величин диода

Материал диода Параметры	Кремний	Германий
Обратный ток	малый	большой
Обратное напряжение [B]	1000 – 1500	100 – 400
Рабочий температурный диапазон	-60˚С – +50˚С	-60˚С – +85˚С
Прямое падение напряжения	Больше	меньше
Прямое сопротивление	Больше	меньше

Увыпрямительных диодов, имеющих плоскостную конструкцию, имеет место заметное увеличение обратного тока при повышении температуры. Обратный ток возрастает в 2 ÷ 2,5 раза при повышении температуры на каждые 10˚С.

Величина обратного тока через диод зависит от частоты, как и у p–n перехода. На рис. 1.11 показано экспериментально полученная зависимость изменения величины обратного тока через диод при увеличении частоты. Видно, что до f=f_max обратный ток практически отсутствует и начинает значительно возрастать при f>f_max

На рис. 1.12,а представлена схема однополупериодного выпрямителя. На рис. 1.12 б, в, г представлены осциллограммы напряжений и тока в выпрямителе.

На вход выпрямителя подаётся переменное напряжение u_вх (рис. 1.12,б). В течение положительного полупериода к входным клеммам приложено напряжение полярностью, показанной без скобок. При этом диод находиться под прямым напряжением и через него будет протекать прямой ток (рис. 1.12,в). Величина тока определяется величиной приложенного напряжения и величиной прямого сопротивления диода и сопротивлением нагрузки.

Протекающий ток создаёт падение напряжения на диоде и на нагрузке (рис. 1.12,г). Так как прямое сопротивление диода на много меньше сопротивления нагрузки, то на диоде падение напряжения так же много меньше падения напряжения на нагрузке. При этом в каждый момент времени выполняется второй закон Кирхгофа:

u_вх = u_д+ u_н

Величина падения напряжения на диоде столь мала, что часто им пренебрегают при расчётах.

В течение отрицательного полупериода полярность напряжения на входе выпрямителя изменяется на противоположную (полярность в скобках). При этой полярности диод находится под обратным напряжением, и через него будет протекать ток малой величины, соответствующий величине обратного тока, и его величина будет определяться по формуле:

При этой полярности входного напряжения обратное сопротивление диода на много больше сопротивления нагрузки, что приводит к тому, что падение напряжения на диоде на много больше падения напряжения на нагрузке. Величина падения напряжения на нагрузке столь мала, что часто им пренебрегают при анализе схем.

2.3. Высокочастотный диод

Высокочастотным диодом называется диод, предназначенный для преобразования переменного (двухполярного) тока в постоянный (однополярный) ток высокой частоты. Частота тока, пропускаемая высокочастотным диодом на много выше частоты тока, пропускаемого выпрямительным диодом.

Высокочастотные диоды изготавливаются из германия или кремния, p–n переход имеет точечную конструкцию. Такая конструкция p–n перехода характеризуется барьерной ёмкостью небольшой величины (не более 1пФ). Это позволяет использовать диод для пропускания высокочастотных токов. Однако малая площадь контакта p–n перехода не позволяет рассеивать значительную мощность. Поэтому высокочастотные диоды менее мощные, чем выпрямительные и применяются в схемах с напряжением не выше нескольких десятков вольт при токе порядка десятков миллиампер.

Вольтамперная характеристика высокочастотного диода в общем виде повторяет вольтамперную характеристику выпрямительного диода (рис. 1.10,а). Графическое обозначение высокочастотного диода (рис. 1.10,б). Влияние температуры на величину обратного тока сказывается слабее, чем в плоскостных диодах – удвоение обратного тока происходит при приращении температуры на 15÷20˚С. Ниже названы основные электрические параметры высокочастотных диодов и их ориентировочные значения:

I_пр – прямой ток (десятки мА),

I_обр – обратный ток (единицы mкА),

U_обр – максимальное обратное напряжение (десятки В)

f_max – максимальная рабочая частота (сотни МГц),

С_б – ёмкость диода (доли – единицы пФ).

Широко применяются высокочастотные диоды в детекторах амплитудно и частотно модулированных сигналов, в различных устройствах преобразования высокочастотных сигналов.

2.4. Импульсный диод

Импульсным диодом называется полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходного процесса при отпирании p–n перехода и предназначенный для работы в импульсных схемах. В импульсных схемах токи и напряжения изменяются в течение малого промежутка времени, составляющего около 10^-6 секунды, сохраняя затем неизменное значение в течение определённого времени (рис. 2.5,б). На рис. 2.5,а показана схема включения импульсного диода, на вход которой подаётся импульсный сигнал (рис. 2.5,б).

При положительном значении входного сигнала (0<t<t₁) через диод протекает ток i_д,, величина которого определяется значением U_m и значениями прямого сопротивления диода и R. Ток создается основными носителями заряда. Не основные носители зарядов в это время находятся под действием тормозящего поля, создаваемым прямым напряжением (+U_m).

Происходит процесс накопления неравновесных не основных носителей в области p–n перехода. Неравновесные носители – это электроны или дырки, не находящиеся в термодинамическом равновесии как по концентрации, так и по энергетическому распределению. При изменении полярности входного напряжения в момент времени t=t₁ неравновесные не основные носители оказываются под действием ускоряющего электрического поля. Они проходят через p–n переход и создают обратный ток I_{m обр}, который в течение некоторого времени остается постоянным. Затем происходит рассасывание объемного заряда не основных носителей, что ведет к уменьшению обратного тока до некоторой установившейся величины I_обр (t=t₂). Время, в течение которого происходит рассасывание не основных носителей, называется временем восстановления обратного сопротивления диода.

Рассмотренный процесс прохождения сигнала импульсной формы через диод характерен для любого p–n перехода. Очевидно, что в импульсном диоде p–n переход должен обладать малыми инерционными свойствами. Применяемые полупроводники должны иметь малую концентрацию не основных носителей. Очевидно, на величину обратного тока влияет и величина барьерной емкости p–n перехода. Поэтому маломощные (низкотоковые) импульсные диоды выполняются по точечной конструкции.

Вольтамперная характеристика импульсного диода полностью совпадает с ВАХ p–n перехода (рис. 1.5). Часть понятий электрических параметров импульсных диодов совпадают с понятиями электрических параметров выпрямительных диодов. Такие, как постоянное прямое напряжение U_пр, постоянное обратное напряжение U_обр, постоянный прямой ток I_пр, общая ёмкость диода С_д.

Ряд параметров характеризуют импульсные свойства диодов:

I_пр.и – прямой импульсный ток, это максимально допустимый ток в течении определённой длительности импульса. Его значение обычно на порядок превышает значение прямого тока;

t_{вос.обр} – время восстановления обратного сопротивления диода

Графическое обозначение импульсного диода такое же, как и выпрямительного диода (рис. 2.1,б).

Применяются импульсные диоды в импульсных схемах, в переключающих устройствах, при построении цифровых микросхем.

2.5. Стабилитрон

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, работающий в режиме электрического пробоя. Условное обозначение стабилитрона представлено на рис. 2.6,а с указанием анода и катода. При прямом включении стабилитрона (плюс на аноде, минус на катоде) вид ВАХ полностью совпадае6т с видом ВАХ выпрямительного диода. При обратном включении вид ВАХ так же похож на ВАХ выпрямительного диода. Однако при достижении обратного напряжения равного напряжению пробоя в стабилитроне не наступает тепловой пробой. При дальнейшем увеличении обратного напряжения в интервале от U_{ст. min} до U_{ст. max} происходит нарастание обратного тока от I_{ст. min} до I_ст.max. В этом состоит основное свойство стабилитрона, которое используется при построении стабилизаторов напряжения и тока и ряда других устройств. При превышении обратного напряжении величины U_{ст. max} происходит возрастание обратного тока, что приводит к разогреву p–n перехода и его тепловому пробою.

Итак, рабочим режимом стабилитрона является режим обратного включения.

Однако величина обратного напряжения не должна превышать U_{ст. max}. Для изготовления стабилитронов используется кремний, т. к. он обладает более высокой температурною стабильностью по сравнению с германием.

Основными параметрами стабилитрона являются:

U_{ст. min}, U_{ст. max} – минимальное и максимальное значения обратного напряжения, или минимальное и максимальное значение напряжений стабилизации;

U_ст. – среднее значение обратного напряжения, или среднее значение напряжения стабилизации;

I_{ст. min} , I_{ст. max} – минимальное и максимальное значения токов стабилизации, соответствующие минимальным и максимальным значениям напряжений стабилизации;

R_ст. – сопротивление стабилитрона при заданном обратном токе стабилитрона, значение которого находится, обычно, в середине интервала обратной ВАХ между I_{ст. min} и I_{ст. max};

R_{ст. дин.} – динамическое сопротивление стабилитрона в интервале I_{ст. min} и I_ст.max, отображающее крутизну обратного рабочего участка ВАХ и определяемого по формуле:

Чем круче рабочий участок ВАХ стабилитрона, тем выше его стабилизирующие свойства. Из формулы видно, что более крутой характеристике соответствует меньшее значение R_{ст. дин.}.

При расчёте цепи, содержащей стабилитрон, удобно пользоваться его схемой замещения (рис. 2.7).

В этой схеме E_ст. равно среднему значению напряжения стабилизации U_ст. стабилитрона. Величина R_ст. равна сопротивлению стабилитрона при заданном обратном токе (из справочника).

При использовании стабилитронов не редко приходится включать их последовательно – согласно (рис. 2.8,а) и последовательно – встречно (рис. 2.8,б).

На рис. 2.9 показано построение эквивалентных ВАХ для каждого из включений стабилитронов. Для удобства будем считать, что стабилитроны одинаковые, а значит, имеют одинаковые ВАХ, тогда на рис. 2.9,а обоим стабилитронам соответствует ВАХ 1.

Для получения эквивалентной ВАХ в обоих случаях необходимо воспользоваться графическим методом расчета нелинейных цепей постоянного тока. Для различных значений тока суммируются падения напряжений на стабилитронах.

При согласованном включении (рис. 2.8,а) стабилитронов эквивалентная характеристика имеет вид ВАХ 2 (рис. 2.9,а). Как видно, напряжение стабилизации при таком соединении стабилитронов возрастает (U_{ст. 2}) и равно сумме напряжений стабилизации каждого стабилитрона.

При встречном включении стабилитронов (рис. 2.8,б) одному стабилитрону соответствует ВАХ 1 (рис. 2.9,б). Другому стабилитрону, из-за встречного включения соответствует ВАХ 2, которая представляет собой обычную ВАХ, но развернутую относительно начала координат. Эквивалентная ВАХ 3 получается суммированием напряжений для различных значений токов ВАХ 1 и ВАХ 2. Как видно, такое включение стабилитронов формирует напряжение стабилизации при одной и другой полярности подключаемого напряжения.

Последовательно – согласное включение стабилитронов (рис. 2.8,а) применяется в тех случаях, когда величина требуемого напряжения стабилизации превышает напряжение стабилизации стабилитрона и используется для построения стабилитронов постоянного напряжения. Последовательно – встречное включение стабилитронов применяется для стабилизации переменного (двухполярного) напряжения.

2.6. Стабистор

Минимальное напряжение стабилизации стабилитронов составляет единицы вольт. Однако в ряде случаев необходимо осуществить стабилизацию напряжения величиной меньше одного вольта, или повысить напряжение стабилизации путем последовательно – согласного включения стабилитронов на доли вольт. Эти задачи успешно решаются с помощью стабистора.

Стабистор – полупроводниковый диод, предназначенный для построения стабилизаторов напряжения и тока, работающий в режиме прямого включения и имеющий более крутую ВАХ, чем у выпрямительного диода с величиной падения напряжения меньше одного вольта.

Графическое обозначение стабистора такое же, как у стабилитрона (рис. 2.6,а), но рабочий режим имеет место при прямом включении. От стабилитрона стабистор отличается маркировкой, в которой отображена величина напряжения стабилизации. Так стабистор КС107 имеет следующие параметры:

U_ст. = 0,7 В

I_ст. = 10 мА (при U_ст. = 0,7 В)

I_{ст. min} = 1 мА

I_{ст. max} = 100 мА

2.7. Варикап

Варикапами называются полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная ёмкость закрытого (запертого) p–n перехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения.

Емкость обычного конденсатора и барьерная ёмкость p–n перехода определяется по формуле:

,

где

ε – относительная диэлектрическая проницаемость запирающего слоя p–n перехода;

S – площадь p–n перехода;

d – толщина запирающего слоя p–n перехода.

При изменении обратного напряжения вp–n переходе увеличивается толщина запирающего слоя (d), что ведёт к уменьшению барьерной ёмкости. На рис. 2.10,а показано условное графическое обозначение варикапа с полярностью рабочего напряжения. Зависимость барьерной ёмкости от величины приложенного напряжения показана на рис. 2.10,б.

Основными параметрами варикапа являются следующие:

С_в [nФ] – ёмкость варикапа при заданном обратном напряжении U_обр.[B];

U_обр.max.[B] – максимальное обратное напряжение;

I_обр [mкA] – обратный ток при U_обр.max.;

Р_в [Вт] – рассеиваемая мощность при U_обр.max.;

К_с – коэффициент перекрытия по ёмкости, равный отношению максимального значения ёмкости к минимальному при соответствующих значениях напряжений:

;

Q_в – добротность варикапа на заданной частоте:

,

где – сопротивление барьерной ёмкости варикапа,

–омическое сопротивление варикапа при постоянном U_обр.;

В таблице 2 приведены параметры для варикапа типа КВ 122В:

Таблица 2 – Параметры для варикапа типа КВ 122В

Наиболее широко варикапы применяются для электронной настройки резонансных контуров. Для этого варикап включается в резонансный контур последовательно или параллельно основному конденсатору контура и на него (варикап) подаётся регулируемое обратное напряжение. Это приводит к изменению эквивалентной ёмкости контура, а, значит, к изменению его резонансной частоты. Из-за небольшой величины ёмкости варикапа его можно применять на достаточно высоких частотах – начиная с УКВ диапазона и выше. На рис. 2.11 показаны схемы применения варикапов для настройки контуров.

2.8. Туннельный диод

Туннельным диодом называется полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через p–n переход и у которого в ВАХ имеется область отрицательного дифференциального сопротивления.

В 1958 г. японским ученым Лео Есаки было обнаружено, что n–p структуры, имеющие большую концентрацию примесей (в 10² – 10³ раза больше чем в обычном n–p структуре), обладают следующими аномальными свойствами:

1) В отличие от обычных диодов они хорошо проводят ток не только в прямом, но и в обратном направлении.

2) При прямом включении на вольтамперной характеристике имеется участок с отрицательным сопротивлением (падающий участок а–б, рис. 2.12,б).

Аномальные свойства таких диодов вызваны, как было установлено, туннельным эффектом. Поэтому такие диоды получили название туннельных.

Туннельный эффект состоит в следующем: частицы, имеющие энергию, недостаточную для прохождения потенциального барьера, могут все же пройти через него, если с другой стороны барьера имеется такой же свободный энергетический уровень, какой занимала частица перед барьером.

В квантовой механике показано, что вероятность туннельного перехода тем выше, чем уже потенциальный барьер и чем меньше его высота.

Туннельный переход совершается электронами без затраты энергии. В обычных диодах толщина электронно-дырочного перехода велика и вероятность туннельного перехода мала. В туннельных диодах из-за высокой концентрации примесей толщина перехода составляет около 0,01 мкм, т. е. барьер является очень узким. В этих условиях вероятность туннельного перехода оказывается очень высокой, что и приводит к появлению падающего участка в ВАХ туннельного диода.

На рис. 2.12,а показано условное обозначение туннельного диода и полярность его рабочего включения.

Туннельные диоды изготавливают из германия и арсенида галлия. На рис. 2.12,б представлена типовая вольтамперная характеристика туннельного диода, с помощью которой рассмотрим следующие параметры туннельного диода:

I_п – пиковый ток, это ток в точке максимума ВАХ;

U_п – напряжение пика, это прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

I_в – ток впадины, это прямой ток в точке минимума ВАХ диода;

U_в – напряжение впадины, это прямое напряжение, соответствующее току впадины;

U_рр – напряжение раствора, это прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому (точка “в” рис. 2.12,б).