3. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-п переходом, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода.

1. Влияние внешних факторов на вах реальных диодов

При прямом включении диода на его ВАХ сказывается температура. С повышением температуры уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям (поскольку они начинают занимать более высокие энергетические уровни). Из-за этих двух причин прямой ток через диод увеличивается с повышением температуры.

При прямом включении диода, изготовленного из полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, прямой ток через диод будет меньше, чем у диода с меньшей запрещенной зоной. Это связано с повышением высоты потенциального барьера согласно выражению (4.3). В тоже время влияние температуры для диода, изготовленного из более широкозонного материала, на прямую ветвь ВАХ будет меньше.

При больших токах в прямом смещении начинает сказываться сопротивление базы диода. Поэтому прямая экспоненциальная ветвь ВАХ, выражаемая (4.7), становится квазилинейной, поскольку ток через диод будет пропорционален сопротивлению базы. В этом случае дифференциальное сопротивление диода стремится не к нулю, как это следует из (4.7), а к некоторому конечному значению:

, (4.10)

что увеличивает прямое падение напряжения на диоде.

При обратном включении диода обратный ток диода достаточно резко возрастает с ростом температуры согласно (4.9), что связано с экспоненциальным ростом концентрации собственных носителей заряда.

Для диодов на основе более широкозонного материала величина обратного тока будет существенно меньше, поскольку концентрация собственных носителей заряда с увеличением ширины запрещенной зоны экспоненциально уменьшается.

Отмеченные отличия приведены на рис.4.4.

3.2 Классификация диодов

По функциональному назначению все диоды подразделяются на:

1. Выпрямительные диоды. Это диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный.

2. Импульсные диоды. Это диоды, имеющие малую длительность переходных процессов и предназначенные для применения в импульсных режимах.

3. Диоды Шотки. Это диоды, выпрямительные свойства которых основаны на использовании свойств перехода металл-полупроводник.

4. Сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды. Это диоды, предназначенные для преобразования и обработки сверхвысокочастотных сигналов на частотах более 300 МГц.

5. Детекторные СВЧ диоды. Это диоды, предназначенные для детектирования СВЧ сигналов.

6. Переключающие СВЧ диоды. Это диоды, предназначенные для применения в устройствах управления уровнем СВЧ мощности.

7. Стабилитроны. Это диоды, предназначенные для стабилизации напряжения, принцип действия которых основан на использовании эффекта лавинного или туннельного пробоя обратносмещенного р-п перехода.

8. TVS-диоды (transient voltage supressor). полупроводниковые приборы с резко выраженной нелинейной вольтамперной характеристикой, подавляющие импульсные электрические перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжения лавинного пробоя диода.

9. Стабисторы. Это диоды, предназначенные для стабилизации напряжения, принцип действия которых основан на использовании прямой ветви ВАХ прямосмещенного р-п перехода.

10. Стабилитроны с напряжением, равным ширине запрещенной зоны. Это стабилитроны с малой величиной минимального тока стабилизации и напряжением стабилизации равным ширине запрещенной зоны кремния (около 1,22 – 1,25 В).

11. Лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Это диоды, предназначенные для генерации СВЧ колебаний, принцип действия которых основан на лавинном пробое обратносмещенного р-п перехода.

12. Туннельные диоды. Это диоды на основе вырожденного полупроводника, имеющие на ВАХ прямосмещенного р-п перехода участок с отрицательной дифференциальной электропроводностью.

13. Обращенные диоды. Это диоды с критической концентрацией примеси, в которых проводимость при обратном напряжении вследствии туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

14. Варикапы. Это диоды, действие которых основано на зависимости емкости обратносмещенного р-п перехода от приложенного напряжения и которые применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью.

15. Фотодиоды. Это диоды, принцип действия которых основан на инжекции неосновных носителей заряда в базу под действием света.

16. Светодиоды. Это диоды, принцип действия которых основан на излучении электромагнитных колебаний видимого и ИК-диапазона путем спонтанного излучения за счет излучательных переходов основных носителей заряда, возбужденных электрическим током.

Условно-графические обозначения основных типов диодов приведены на рис.4.5. В основу системы обозначений полупроводниковых диодов согласно ОСТ 11 336.038-77 положен семизначный буквенно-цифровой код, первый элемент которого (буква – для приборов широкого применения, цифра – для приборов специального назначения) обозначает исходный полупроводниковый материал. Второй элемент обозначения – буква, определяет подкласс приборов, третий элемент – цифра или буква, определяет один из основных характеризующих данный прибор признаков. Четвертый, пятый и шестой элемент – трехзначной число, обозначающее порядковый номер разработки. Седьмой элемент – буква, характеризует классификацию по параметрам приборов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения материала (первый элемент) используют: Г или 1 – германий и его соединения; К или 2 – кремний и его соединения; А или 3 – арсенид галлия; И или 4 – фосфид индия.

Для обозначения подклассов приборов (второй элемент) используются буквы: Д – выпрямительные, импульсные диоды; Ц – выпрямительные столбы и мосты; В – варикапы; И – туннельные диоды; А – СВЧ диоды; С – стабилитроны и стабисторы; Г – генераторы шума; Л – излучающие светодиоды.

Значение третьего элемента, характеризующего основной признак прибора, зависит от подкласса прибора.

Примеры обозначений:

ГД508А – германиевый импульсный диод с временем восстановления от 150 до 500 нс, порядковый номер разработки 08, группа А.

КД215Б – кремниевый выпрямительный диод с прямым током более 0,3 А и менее 10 А, предназначенный для устройств широкого применения, номер разработки 15, группа Б.