Полупроводниковые диоды и их характеристики

Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного перехода и имеет два вывода. Диоды подразделяются по функциональному назначению и используют различные свойства перехода. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления впереходе.

Выпрямительные диоды

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Для них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадьперехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно , бывает достаточно низкоомной, а другая - высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.

Вольт-амперные характеристики реальных диодов и переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рис. 9). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в - переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения , в результате прямая ветвь диода идет ниже, чем впереходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеальногоперехода, т.к. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла .

Рис. 9. Условное обозначение диода (а); вольт-амперные характеристики (в):

1 - идеальногоперехода, 2 – реального диода

Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рис. 10).

Рис. 10. Вольт-амперные характеристики германиевого (1),

кремниевого (2) диодов

Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника и температуры.

Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рис.11).

Рис.11. Зависимость вида ВАХ диода от температуры

С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока . Прямое напряжение изменяется на 2.1 мВ при изменении температуры на 1ºС

.

Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше чем германиевых.

В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:

· во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 Вт;

· работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).

Однако, в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.

Основные параметры выпрямительных диодов:

максимально допустимое обратное напряжение диода - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;

средний выпрямленный ток диода - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;

импульсный прямой ток диода - пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;

средний обратный ток диода - среднее за период значение обратного тока;

среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;

средняя рассеиваемая мощность диода - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

дифференциальное сопротивление диода - отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.