3. Параметры и применение исследуемых типов диодов

Выпрямительные диоды.

Они предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный при использовании схем однополупериодного, двухполупериодного или мостового выпрямления.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1. Максимально допустимое значение постоянного (или импульсного) прямого тока, текущего через диод.

2. Постоянное прямое (или импульсное) падение напряжения на диоде.

3. Постоянный обратный ток диода.

4. Максимально допустимое значение постоянного (или импульсного) обратного напряжения, приложенного к диоду.

5. Максимально допустимая температура р-п перехода.

Импульсные диоды.

Такие диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных режимах.

При подаче на диод прямоугольного импульса напряжения прямого смещения ток через диод устанавливается не сразу, так как накопление инжектированных носителей заряда в базе ограничивается временем их диффузии. При длительном прохождении прямого тока процесс инжекции неосновных носителей заряда уравновешивается процессом их рекомбинации. Возникает некоторое установившееся состояние (рис.4.6 а).

При переключении диода с прямого напряжение на обратное в начальный момент возникает достаточно большой обратный ток, ограниченный в основном последовательным сопротивлением базы диода. После чего начинается процесс рассасывания неосновных носителей заряда, накопленных в базе. Обратный ток начинает уменьшаться. С течением времени все накопленные в базе неосновные носители либо прорекомбинируют в базе, либо уйдут через р-п переход. Обратный ток достигнет своего стационарного значения тока насыщения.

Переходной процесс, в течение которого обратное сопротивление полупроводникового диода восстанавливается до постоянного значения после быстрого переключения с прямого направления на обратное, называют восстановлением обратного сопротивления диода. Соответственно для импульсного диода дополнительно вводится параметр время восстановления обратного напряжения t_вос, равное интервалу времени от момента прохождения тока через ноль после переключения диода с заданного прямого тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения обратным током заданного низкого значения.

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения, что связано со значительным сопротивлением базы (рис.4.6 б). По мере инжекции неосновных носителей сопротивление базы уменьшится, что понизит прямое падение напряжения на диоде до стационарного значения. Переходной процесс, в течение которого прямое сопротивление диода устанавливается до постоянного значения после быстрого включения в прямом направлении, называют установлением прямого сопротивления диода. Соответственно следующим специфическим параметром импульсного диода является время установления прямого напряжения диода t_уст.

Для повышения импульсных свойств диодов необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей заряда, что достигается введением в полупроводниковый материал диода специальных примесей.

Диоды Шотки.

Вэтих диодах выпрямительные свойства основаны на использовании свойств перехода металл-полупроводник.

Существенное отличие диодов Шотки от диодов на основе р-п перехода в том, что в диодах Шотки токопрохождение осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции и последующего рассасывания носителей при переключении с прямого напряжения на обратное. Поэтому быстродействие диодов Шотки принципиально выше быстродействия диодов на р-п переходах. Диоды Шотки с успехом выполняют роль выпрямительных, импульсных и СВЧ диодов. Типовая конструкция диодов Шотки с двухслойной базой приведена на рис.4.7 а.

При включении диодов Шотки в прямом направлении прямой ток возникает благодаря движению основных носителей заряда полупроводника в металл, а носители другого знака (неосновные для полупроводника) практически не могут перейти из металла в полупроводник из-за высокого для них потенциального барьера на переходе металл-полупроводник.

Основными отличиями диода Шотки являются:

1. Меньшее падение прямого напряжения на диоде из-за меньшей высоты потенциального барьера для основных носителей заряда полупроводник.

2. Больший максимальный прямой ток, что связано с меньшим падением прямого напряжения и с лучшими условиями охлаждения перехода благодаря хорошему теплоотводу от выпрямляющего контакта Шотки.

3. Выпрямительные диоды Шотки выдерживают большие перегрузки по току по сравнению с диодами на р-п переходах.

4. Быстродействие диодов Шотки выше за счет отсутствия процессов инжекции неосновных носителей заряда.

5. Прямая ветвь АЧХ практически точно описывается выражением (4.7). Поэтому диоды Шотки можно использовать как быстродействующие логарифмические преобразователи.

6. Для диодов Шотки с тонкой базой обратная ветвь АЧХ имеет насыщение, а для диодов с толстой базой обратный ток пропорционален (рис.4.7 б).

Стабилитроны.

Стабилитроны это диоды, предназначенные для стабилизации напряжения в заданных пределах. Принцип действия стабилитрона основан слабой зависимости обратного напряжения от протекающего через диод тока в режиме туннельного или лавинного пробоя (см. рис.4.4). До наступления пробоя стабилитроны имеют очень большое статическое сопротивление (порядка единиц МОм), после пробоя дифференциальное сопротивление стабилитрона составляет единицы – десятки Ом.

ВАХ и схема включения стабилитрона приведена на рис.4.8. Сопротивление балластного резистора R₀ определяется из соотношения:

(4.11)

Стабилитроны характеризуются следующими параметрами:

1. Напряжением стабилизации U_Ст, которое может меняться от 3 до 200 В.

2. Отклонением напряжения стабилизации от заданного ΔU_Ст.

3. Минимальным и максимальным током стабилизации I_{Ст min}, I_{Ст max.}

4. Дифференциальным сопротивлением:

(4.12)

Совершенствование стабилитронов привело к созданию стабилитронов с напряжением равным напряжению запрещенной (энергетической) зоны полупроводника. Это стало возможным по мере совершенствования технологии изготовления кремниевых ИС.

Кремниевые диоды, проводящие в прямом направлении, имеют четкий температурный коэффициент −2,1 мВ/°C. Если изготовить, например, 11 идентичных диодов на кремниевой подложке, и все, кроме одного, центрального, соединить параллельно, то можно сделать следующее. Пропустим одинаковые токи через один центральный диод и группу диодов. Тогда окажется, что плотность тока через центральный диод примерно в 10 раз выше, чем через один диод, входящий в диск. Напряжение на центральном диоде имеет отрицательный ТКН, а напряжение для диода из группы имеет положительный ТКН. Интегральное исполнение позволяет суммировать эти два напряжения (переход U_б-э + напряжение с положительным ТКН). При этом температурный коэффициент будет нулевым, когда суммарное напряжение равно напряжению запрещенной зоны кремния (для температуры абсолютного нуля), что составляет примерно 1, 205В.

Минимальные токи стабилизации таких стабилитронов очень малы (около 100 мкА), тогда как точность стабилизации менее 0,1 %. Кроме того, напряжение стабилизации таких диодов очень слабо зависит от температуры. Поэтому такие стабилитроны широко применяются как источники опорного напряжения.