Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом. Различают точечные (рис. 4) и плоскостные (рис. 5) диоды. В стеклянном или металлическом корпусе 2 точечного диода крепится германиевый или кремниевый кристалл n -типа 3 площадью порядка 1 мм² и толщиной 0,5 мм, к которому прижимается стальная или бронзовая игла 4, легированная акцепторной присадкой. Прибор включается в схемы через выводы 1. В процессе формовки через контакт иглы с кристаллом пропускают мощные импульсы тока. При этом кончик иглы оплавляется и часть акцепторной примеси внедряется в кристалл. Вокруг иглы образуется микроскопическая (точечная) область с дырочной электропроводностью. На полусферической границе этой области с кристаллом n -типа возникает электронно-дырочный переход.

Рис. 4. Конструкция точечного германиевого диода типа Д103: 1 – вывод; 2 – стеклянный корпус; 3 – полупроводниковый кристалл; 4 – стальная пружина

Рис. 5. Конструкция плоскостного выпрямительного диода: 1 – вывод; 2 – стеклянная втулка; 3 – полупроводниковый кристалл; 4 – гайка; 5 – шайба; 6 – основание; 7 – металлический корпус

Малая площадь p - n -перехода в точечном диоде обеспечивает ему минимальное значение межэлектродной емкости.

Площадь p - n -перехода плоскостных диодов достигает десятков и сотен мм². Для получения таких площадей используют методы сплавления или диффузии. При методе сплавления на пластинку кристалла с донорной примесью помешают таблетку акцепторной примеси, которая расплавляется при нагреве в печи. Расплав частично проникает в кристалл и образует область p- типа, граничащую с массой кристалла. У этой границы возникает p - n -переход.

При изготовлении диода методом диффузии кристалл в донорной примесью помещают в газовую среду акцептора (кристалл с акцепторной примесью – в газовую среду донора) и выдерживают длительное время при заданной температуре. Диффундируя в поверхность кристалла, молекулы акцептора (или донора) образуют область с типом электропроводности, противоположным типу электропроводности кристалла.

Метод сплавления позволяет получить p - n -переход с резким изменением концентрации примеси. При методе диффузии концентрация примесных атомов в области p - n -перехода изменяется плавно.

Мощные плоскостные полупроводниковые диоды, рассчитанные на большие токи, изготовляют в массивных металлических корпусах, обеспечивающих поглощение и отвод теплоты, выделяющейся в p - n -переходе. С помощью массивных шайб и гаек корпус диода плотно прижимается к монтажной металлической панели.

Основной характеристикой диода служит его вольтамперная характеристика, вид которой совпадает с видом характеристики p - n -перехода (см. рис. 3). Вольтамперная характеристика диода существенно зависит от температуры окружающей среды, с повышением которой прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. При заданном прямом токе с увеличением температуры снижается прямое напряжение между электродами диода.

Существенным образом влияет температура окружающей среды и на обратный ток, который тоже возрастает с увеличением температуры. При увеличении температуры окружающей среды выше определенного значения уже при небольших обратных напряжениях развивается тепловой пробой p - n -перехода и диод выходит из строя. Работоспособность германиевых диодов теряется при температуре около 70ºС, а кремниевых – при 200ºС. Высокая термическая устойчивость кремния – важнейшее его преимущество по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. Кремниевые диоды допускают плотность тока в прямом направлении 10 А/мм² и более, что позволяет изготовлять мощные полупроводниковые устройства с относительно небольшими массами и габаритами.

Одна из важных характеристик диода – пробивное обратное напряжение. Это напряжение зависит от ширины обедненного слоя и у современных плоскостных диодов равно сотням и тысячам вольт. Оно несколько увеличивается с повышением температуры, не выходящим за пределы работоспособности диода.

Внутреннее сопротивление плоскостных диодов прямому току при номинальных режимах работы составляет десятые доли Ом, с повышением температуры оно уменьшается.

Применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно. Рассмотрим наиболее характерные случаи.

Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными. Плоскостные диоды малой и средней мощности широко используют в схемах питания радиоаппаратуры, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производствах.

Для характеристики выпрямительных свойств диодов вводится коэффициент выпрямления, равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении (например, 1 В). Чем выше коэффициент выпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.

Диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты (ультра-коротковолновая и космическая радиосвязь, радиолокация, телеизмерительная техника и т. д.), называют высокочастотными. СВЧ-диоды используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц, а также в каскадах преобразования частоты радиоприемных устройств. В качестве высокочастотных обычно применяют точечные диоды, емкость электронно-дырочного перехода в которых составляет сотые и десятые доли пикофарад.

Детекторные свойства СВЧ-диода, определяемые коэффициентом выпрямления, зависят от емкости p - n -перехода. Чем меньше эта емкость, тем больше коэффициент выпрямления.

Ранее установили, что ширина обедненного слоя и, следовательно, емкость электронно-дырочного перехода зависят от напряжения, приложенного в непроводящем направлении. Такая зависимость дает возможность изменять емкость диода, варьируя обратное напряжение на нем. Диоды, применяемые в качестве конденсаторов с управляемой емкостью, называют варикапами.

Наличие у диода критического обратного напряжения, при котором наступает электрический (нетепловой) пробой (см. рис 3), позволяет использовать полупроводниковый диод в схемах стабилизации напряжения. Одна из возможных схем стабилизации представлена на рис. 6. Выходное напряжение схемы с большой степенью точности поддерживается на заданном уровне U _вых=const, равном критическому (пробивному) напряжению диода CT. Разница между входным и выходным напряжениями гасится на сопротивлении R _г.

Если входное напряжение возрастает, то увеличивается и обратный ток диода, возрастает ток I и падение напряжения на гасящем сопротивлении R _г. Приращения напряжений D U _вх и D IR _г взаимно компенсируются, а U _вых сохраняется на заданном уровне.

Диод, используемый для стабилизации напряжения, называется стабилитроном. Недостаток рассмотренной схемы – зависимость пробивного напряжения стабилитрона, а следовательно, и выходного напряжения U _вых от температуры. Эту зависимость можно существенно уменьшить, включив последовательно со стабилитроном компенсирующий диод в прямом направлении.

Для стабилизации малых напряжений (порядка 1 В) используют диод, включенный по той же схеме, но в прямом направлении. При этом для повышения степени стабильности выходного напряжения структуру электронно-дырочного перехода формируют так, чтобы вольтамперная характеристика диода в прямом направлении по возможности круто поднималась вверх при возрастании напряжения стабилизации (рис. 7).

При больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельный эффект p - n -перехода. При этом в вольт-амперной характеристике диода появляется участок с отрицательным сопротивлением (прямой ток увеличивается с уменьшением прямого напряжения), что позволяет исполь-зовать его в схемах генерации и усиления электрических колебаний. Такие диоды называют туннельными.

Для работы в импульсных схемах изготовляют импульсные диоды, у которых перераспределение носителей зарядов в p - n -переходах при смене полярности напряжения (переходные процессы) происходит в десятые доли наносекунды. Чем меньше время переходных процессов, тем меньше искажается форма импульсов. Для ускорения переходных процессов уменьшают до возможного предела межэлектродную емкость, а также легируют область p - n -перехода небольшой присадкой золота.

Условные обозначения некоторых полупроводниковых диодов изображены на рис. 8.

Маркировку диодов осуществляют с помощью цифр и букв. Первая цифра или буква обозначает материал полупроводникового кристалла. Цифрой 1 или буквой Г обозначают германий; цифрой 2 или буквой К кремний, цифрой 3 или буквой А – арсенид галлия. На втором месте ставят букву, обозначающую класс диода: Д – выпрямительный, А – СВЧ-диод, В – варикап, С – стабилитрон, И – туннельный диод. Три последующие цифры характеризуют тип или область применения прибора. Если цифры лежат в пределах 101 – 399, то диод предназначен для выпрямления переменного тока, если в пределах 401 – 499, то для работы в высокочастотных и сверхвысокочастотных цепях, если в пределах 501 – 599, то работы в импульсных схемах, диоды, маркируемые цифрами 601 – 699, используют в качестве конденсаторов с регулируемой емкостью (варикапы). Последняя буква указывает на некоторые конструктивные или другие особенности диода (разновидность прибора).

Например, маркировка КС196В расшифровывается следующим образом: кремниевый стабилитрон плоскостного типа, разновидность В.

Дата добавления: 2013-12-13