Общие положения

Полупроводниковый диод – двухэлектродный прибор, принцип действия которого основан на использовании явлений, возникающих между частями монокристалла полупроводника с проводимостями p- и n-типа. Слой, образующийся на границе двух областей полупроводника, обладающих противоположными типами электропроводимости – дырочной p и электронной n, называют электронно-дырочным переходом (ЭДП) или p-n переходом.

Образование контактной разности потенциалов обедняет области p и n ЭДП основными носителями заряда. Это повышает электрическое сопротивление ЭДП. Поэтому область ЭДП называют запирающим слоем. Его толщина – микроны- десятки микрон. ЭДП возникает не только на границе двух полупроводников с разной проводимостью, но и при контакте полупроводника с металлом.

Полупроводниковые диоды широко применяются в устройствах, работающих в непрерывных и импульсных режимах, и делятся по назначению на выпрямительные диоды (в том числе универсальные диоды, работающие в широком диапазоне частот), импульсные, СВЧ диоды, варикапы, стабисторы и стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные и др.

Выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока низкой (до 50 кГц) частоты. Выпускают германиевые, кремниевые, титановые и др. диоды.

Зависимость тока через ЭДП от внешнего напряжения или вольтамперная характеристика (ВАХ ЭДП):

г де: I_S – неуправляемый тепловой (обратный) ток или ток насыщения. Он обусловлен неосновными носителями заряда (дырками из n-области, электронами из p-области);

e = 2,718…– основание натурального логарифма;

q = 1,602…· 10^-23 Кл – заряд электрона;

U – внешняя разность потенциалов, приложенная непосредственно к ЭДП (напряжение на электродах диода за вычетом падения напряжения на p- и n-слоях монокристалла);

K=1,380662·10^-23 Кл·В/К – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура, К.

Положительным внешнее напряжение считают в том случае, когда плюс приложен к p-области. При этом протекает прямой ток – ток из p-слоя в n-слой. Если к ЭДП приложено положительное напряжение, то говорят, что диод «смещён в прямом направлении». Напряжение противоположной полярности называют «обратным».

На рис.44 показаны структура диода, его условное изображение и график ВАХ ЭДП.

Рис.44. Структура диода, его условное изображение и график ВАХ ЭДП

В создании прямого тока участвуют основные носители: дырки из p-слоя «перетекают» (инжектируются) в n-слой, а электроны из n-слоя инжектируются в p-слой.

Основные параметры выпрямительных диодов

1. Средний прямой ток I_пр.ср – среднее за период переменного напряжения значение прямого тока через диод. Уменьшается с увеличением температуры корпуса и частоты следования тока.

2. Постоянное прямое напряжение U_пр – постоянное значение прямого напряжения, обусловленное постоянным прямым током.

3. Постоянный обратный ток I_обр – обусловлен постоянным обратным напряжением.

4. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение U _обр.max.

5. Максимально допустимая частота f_max – наибольшая частота подводимого напряжения и импульсов тока, при которых обеспечивается надежная работа диода.

6. Импульсный прямой ток I_пр.и – наибольшее мгновенное значение прямого тока, исключая повторяющиеся переходные токи.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения.

Как видно из рис.45, в области электрического пробоя напряжение на стабилитроне U_ст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I_ст.

Рис.45.Схема включения и ВАХ стабилитрона

Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации U_ст (1 – 1000 В); динамическое сопротивление на участке стабилизации R_д=d U_ст /d I_ст (0,5 – 200 Ом); минимальный ток стабилизации I_стmin (1 – 10 мА); максимальный ток стабилизации I_стmax (50 - 2000 мА); температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации (от –0,05 до +0,2 %/°С) U= (d U_ст /d Т)100.