Эквивалентные схемы полупроводниковых диодов

Полная эквивалентная схема полупро- а) R₀R

пр

водникового диода показана на рисунке 6,

L

а. Сопротивление R₀представляет собой

суммарное, сравнительно небольшое со-

противление n- и p-областей и контактов

этих областей с выводами. Нелинейное

сопротивление Rнл при прямом напряже-

C

диф

C

в

C

б

нии сравнительно невелико и равно Rпр^,а б)

при обратном напряжении имеет доста-

точно большое значение и Rнл ⁼Rобр^.в)

Диффузионная емкость Cдиф характеризу-

R

R

обр

Rпр

ет накопление подвижных носителей за-

ряда в n- и p- областях при прямом на-

пряжении на переходе. При обратном

напряжении p-n-переход обладает барьер-

г)

R

C

диф

R

пр

ной емкостью Cб, появление которой обу- д)

словлено наличием по обе стороны запи-

рающего слоя разноименных объемных

зарядов. На высоких частотах существует

емкость Cв между выводами диода, кото-

рая заметно шунтирует диод. Кроме того,

на СВЧ может также проявляться индук-

R

обр

Cб

Рисунок 6 – Эквивалентные схемы

полупроводникового диода

тивность выводов L. На рисунке 6, г, д представлены упрощенные эквивалентные

схемы на высоких частотах при прямом и обратном напряжении соответственно. На

низких частотах значения емкостей можно не учитывать (рисунок 6, б, в).

Классификация диодов

Современные полупроводниковые диоды классифицируют по назначе-

нию, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конст-

руктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому ма-

териалу (таблица 1).

Т а б л и ц а 1 – Классификация диодов

Признак классификации

Площадь перехода

Полупроводниковый материал

Точечный

Плоскостной

Германиевый

Кремниевый

Арсенид галлия

Выпрямительный

Универсальный

Импульсный

Наименование диода

Назначение

Принцип действия

Сверхвысокочастотный (СВЧ диод)

Стабилитрон (стабистор)

Варикап

Обращенный

Лавинно-пролетный

Туннельный

Диод Ганна

Диод Шотки

Излучающий

Фотодиод

Оптопара (оптрон)

Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления пере-

менного тока (условное графическое изображение представлено на рисунке 7, а).

а)

д)

б)

е)

в)

ж)

г)

з)

и)

к)

Рисунок 7 – Примеры

условных графических изображений

полупроводниковых приборов

Выпрямительные диоды классифицируют по мощности и частоте. По мощ-

ности различают диоды малой мощности (Iпр. max ≤ 0,3 А), средней мощности

(0,3 А ≤ Iпр. max ≤ 10 А), большой мощности (Iпр. max > 10 А). По частоте: низко-

частотные (f_max < 10³Гц) и высокочастотные (f_max > 10³Гц).

Универсальными называют высокочастотные диоды, применяемые для

выпрямления, модуляции, детектирования и других нелинейных преобразо-

ваний электрических сигналов, частота которых не превышает 1000 МГц.

Импульсными называют полупроводниковые диоды, используемые в ка-

честве ключевых элементов в схемах при воздействии импульсов малой

длительности. На схемах универсальные и импульсные диоды изображают-

ся так же, как и выпрямительные диоды.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шот-

ки, в которых переход выполнен на основе контакта металл–полупроводник. У

этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов, их

быстродействие зависит только от скорости процесса перезаряда барьерной

емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шотки напоминает характери-

стику диодов на основе p-n-переходов, отличие состоит в то, что прямая ветвь

представляет собой идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи

достаточно малы (доли – десятки нА). Диоды Шотки применяют также в вы-

прямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах. Условное обо-

значение диода Шотки приведено на рисунке 7, ж.

Сверхвысокочастотными (СВЧ) называются полупроводниковые дио-

ды, используемые для преобразования и обработки (детектирования, уси-

ления, умножения, генерирования и управления уровнем мощности)

сверхвысокочастотного сигнала (до сотен гигагерц). СВЧ диоды в зависи-

мости от исполняемой функции подразделяют на смесительные, детек-

торные, параметрические, умножительные, регулирующие, генераторные

(диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды). В схемах они изображаются

так же, как и выпрямительные диоды.

Полупроводниковыми стабилитронами (рисунок 7, б) называются дио-

ды, предназначенные для стабилизации напряжения. Для стабилизации вы-

сокого напряжения (U > 3 В) используется обратная ветвь вольт-амперной

характеристики. Для стабилизации небольших значений напряжения (U ≤

≤1 В) используют прямую ветвь, а применяемые в этом случае диоды назы-

вают стабисторами. В схемах двуполярной стабилизации напряжения при-

меняется симметричный стабилитрон (рисунок 7, в).

Варикапами (рисунок 7, г) называются полупроводниковые диоды, в

которых используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного на-

пряжения. Варикапы подразделяются на подстрочные и умножительные

(или варакторы). Основной характеристикой варикапа служит вольт-

фарадная характеристика (рисунок 8) – зависимость емкости варикапа от

значения приложенного обратного напряжения.

К туннельным относят диоды, у кото-

рых за счет туннельного эффекта на пря-

мой ветви ВАХ (рисунок 9, область 1)

существует область с отрицательным

дифференциальным сопротивлением (об-

ласть 2). В области 3 ВАХ прибор полно-

стью выходит из пробоя и ведет себя как

обычный диод. Условное графическое

обозначение представлено на рисунке 7, д.

По своему назначению туннельные диоды

подразделяют на усилительные, генера-

торные, переключающие.

Обращенными (рисунок 7, е) назы-

вают полупроводниковые диоды, в

которых вследствие туннельного эф-

фекта проводимость при обратном

напряжении значительно больше, чем

при прямом. ВАХ обращенного диода

представлена на рисунке 10.

Излучающие диоды (рисунок 7, з) –

полупроводниковые диоды, излучающие

из p-n-перехода кванты энергии. По ха-

рактеристике излучения делятся на две

группы: с излучением в видимой области

спектра – светодиоды; диоды с излуче-

нием в инфракрасной области спектра,

получившие название ИК-диоды.

Фотодиоды (рисунок 7, и) – полу-

проводниковые диоды, принцип дейст-

вия которых основан на использовании

внутреннего фотоэффекта – генерации

в полупроводнике под действием кван-

тов света свободных носителей заряда.

Оптрон (оптопара) – полупроводни-

ковый прибор, содержащий источник из-

лучения и приемник излучения, объеди-

ненные в одном корпусе и связанные меж-

ду собой оптически, электрически или

Рисунок 8 – Вольт-фарадная

характеристика варикапа

Рисунок 9 – ВАХ туннельного диода

Рисунок 10 – ВАХ обращенного диода

одновременно обеими связями (рисунок 7, к). Широкое распространение получили

оптроны, у которых в качестве приемника излучения используется фоторезистор,

фотодиод, фототранзистор и фототиристор. Оптроны применяют для гальванической

развязки и оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей.