Разновидности полупроводниковых диодов и их применение

Полупроводниковые диоды широко применяют в устройствах радиоэлектрони­ки, автоматики и вычислительной техники. В основе применения диодов лежит ряд их свойств, в соответствии с которыми их можно классифицировать. По типу исходного материала диоды делят на диоды из кремния, германия и арсенида галлия. В зависимости от конструктивно-технологических особенностей разли­чают плоскостные, точечные и микросплавные диоды. По применению различа­ют выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы и ряд других. Возможна классификация и по ряду других признаков. Ниже рассмотре­ны основные типы полупроводниковых диодов.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов. Они предназначены для преобразования перемен­ного тока в постоянный. Для выпрямительных диодов характерно небольшое со­противление в проводящем состоянии, позволяющее пропускать большие токи. В подавляющем большинстве случаев они работают на частоте 50 Гц, верхняя гра­ница рабочих частот, как правило, не превышает 20 кГц.

Для изготовления выпрямительных диодов обычно используют кремний, имею­щий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях предпочтитель­нее германиевые диоды, поскольку они имеют меньшее прямое напряжение, чем кремниевые. В ряде случаев в мощных выпрямителях применяют диоды Шотки, в которых используется выпрямляющий контакт металла с полупроводником. Их изготавливают на основе кремния; благодаря меньшему прямому напряже­нию (0,3 В вместо 0,7 В у обычных кремниевых диодов) диоды Шотки обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия, особенно в низковольт­ных выпрямителях.

Основными параметрами, характеризующими свойства выпрямительных диодов, являются:

□ средний выпрямленный ток I_ПР.СР — среднее за период значение прямого тока;

□ среднее прямое напряжение U_ПР.СР при заданном значении среднего прямого тока;

□ максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max — значение обратного напряжения, которое диод способен выдержать в течение длительного времени;

□ средний обратный ток диода 1_ОБР.СР — среднее за период значение обратного тока.

□ По величине выпрямленного тока выпрямительные диоды делят на три группы:

□ маломощные (на ток до 1 А);

□ средней мощности (на ток от 1 до 10 А);

□ мощные (на ток свыше 10 А).

Помимо дискретных выпрямительных диодов в радиоэлектронной аппаратуре находят применение выпрямительные блоки, конструктивно представляющие со­бой завершенное устройство, состоящее из нескольких выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме. В высоковольтных выпрямителях находят применение выпрямительные столбы, в которых выпрямительные диоды соеди­нены последовательно.

Высокочастотные диоды

Высокочастотные диоды предназначены для нелинейных электрических преоб­разований сигналов на частотах до сотен мегагерц. Их применяют в детекторах высокочастотных сигналов, преобразователях частоты, модуляторах и т. д. Отли­чительной особенностью этих диодов является незначительная величина барьер­ной емкости, что достигается путем уменьшения площади р-n-перехода. Поэтому высокочастотные диоды являются точечными или микросплавными. Для умень­шения времени жизни носителей в базу диода вводят примесь золота. Параметры у высокочастотных диодов те же, что и у низкочастотных выпрямительных диодов.

В СВЧ-диодах обычно используют точечный контакт, осуществляемый простым прижимом к поверхности полупроводника острия металлической контактной пру­жины. Эти диоды изготовляют из низкоомного материала с малым временем жизни носителей заряда. Они имеют небольшой радиус точечного контакта (2-3 мкм), что обеспечивает получение незначительной барьерной емкости. Напряжение пробоя СВЧ-диодов очень низкое (3-5 В), а прямое напряжение относительно высокое. Конструкция СВЧ-диодов обычно приспособлена к сочленению с эле­ментами коаксиального или волноводного тракта.

Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульс­ных схемах. Основными отличительными особенностями импульсных диодов, так же как и высокочастотных, является малая площадь р-n-перехода и небольшое время жизни неравновесных носителей заряда. Основным параметром импульс­ных диодов является время восстановления обратного сопротивления τ_BOC, кото­рое у сверхбыстродействующих диодов составляет несколько наносекунд. Для импульсных диодов указывают также параметры, характерные для выпрямитель­ных диодов. Конструкция и технология изготовления импульсных диодов анало­гичны конструкции и технологии изготовления обычных высокочастотных диодов.

В быстродействующих импульсных схемах широко используют диоды Шотки, площадь перехода которых обычно составляет 20-30 мкм в диаметре, а барьер­ная емкость не превышает 1 пФ. Особенностью диодов Шотки является отсут­ствие инжекции неосновных носителей заряда в полупроводник. Основным фак­тором, влияющим на длительность переходных процессов, является перезаряд барьерной емкости. Диоды Щотки могут работать на частотах до 15 ГГц, а время переключения у них составляет около 0,1 нс.

В импульсных схемах, формирующих импульсы с крутыми фронтами, приме­няют диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В этих диодах примесь в базе рас­пределена неравномерно: концентрация ее больше в глубине базы и меньше возле р-n-перехода, вследствие чего возникает внутреннее электрическое поле. Это поле препятствует проникновению в глубину базы инжектированных дырок, то есть обеспечивает их группирование около границы р-n-перехода. Кроме того, это поле способствует освобождению базы от дырок на второй стадии восстановления обратного сопротивления (стадия т₂), в результате чего уменьшается отношение τ₂/τ₁ до значений порядка 0,02-0,03, то есть отрицательный импульс получается практически прямоугольным.

Стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Они работают в области лавинного или туннельного пробоя. Ниже перечислены основные пара­метры стабилитронов.

□ Напряжение стабилизации U_CT — значение напряжения на стабилитроне при заданном токе стабилизации. Так как участок пробоя вольт-амперной характе­ристики проходит почти вертикально, то можно считать, что U_CT ≈ U_проб. На­пряжение стабилизации лежит в пределах от 3,3 до 96 В.

□ Максимальный ток стабилизации I_CT.max ограничивается максимально допусти­мой мощностью:

□ Минимальный ток стабилизации I_CT.min определяется гарантированной устойчи­востью состояния пробоя.

□ Дифференциальное сопротивление r_диф определяется при среднем токе стаби­лизации:

□ Температурный коэффициент напряжения стабилизации ά_CT - относительное изменение напряжения стабилизации ΔU_CT при изменении температуры окру­жающей среды на ΔT (при лавинном характере пробоя коэффициент ά_CT поло­жителен, при туннельном — отрицателен):

На рис. 3.14, а представлена схема стабилизации напряжения, а на рис. 3.14, б по­казаны графики, иллюстрирующие работу схемы. Для определения токов и напря­жений надо построить вольт-амперную характеристику стабилитрона (график 1), которая проходит практически вертикально, вольт-амперную характеристику на­грузки (график 2) и вольт-амперную характеристику ограничительного резистора (график 3). Пересечение графиков 1 и 3 определяет значение тока I_И..П, потребляемого от источника питания (точка А). Пересечение графиков 1 и 2 определяет значение тока нагрузки I_H (точка В). Разность токов I_И..П и I_н равна току стабилитрона I_CT.

Если сопротивление нагрузки изменяется, то изменяется ток I_H. При уменьшении R_H ток I_H. возрастает (точка В опускается вниз), а ток 1_СТ уменьшается, при этом положение точки А сохраняется неизменным, то есть увеличение тока нагрузки сопровождается уменьшением тока стабилитрона, а потребление тока от источ­ника питания не зависит от нагрузки.

Если изменяется напряжение источника питания E_И..П„ то точка А меняет свое по­ложение. При уменьшении E_И..П (график 4) точка А поднимается вверх (точка А'), то есть уменьшается потребление тока I_И..П соответственно, уменьшается, ток I_CT, а ток I_H. сохраняется постоянным.

Параметры схемы выбирают так, чтобы при изменении нагрузки и напряжения источника питания выполнялись неравенства

Здесь E_CT..min и E_CT..max — минимальное и максимальное напряжения источника пи­тания;

I_H..min и I_H..max минимальный и максимальный токи нагрузки.

Стабилитроны широкого применения обладают сравнительно высоким темпера­турным коэффициентом напряжения (ά_CT = 10^-3 К^-1)- Более высокой температур­ной стабильностью обладают прецизионные стабилитроны, в которых последова­тельно соединены три р-n-перехода. Один из них — стабилизирующий — включен в обратном направлении, два других — термокомпенсирующих — включены в пря­мом направлении. При повышении температуры напряжение на стабилизирую­щем переходе растет, а на термокомпенсирующих переходах уменьшается, по­этому результирующее напряжение на стабилитроне изменяется незначительно и температурный коэффициент получается около 10^-5 К^-1.

Для стабилизации двухполярных напряжений и для защиты электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей применяют двуханодные стабилитроны, которые имеют симметричную вольт-амперную характеристику. Такие стабилит­роны изготовляют путем введения примесей в пластину кремния одновременно с двух сторон. При этом образуются два р-n-перехода, включенных встречно.

Для ограничения амплитуды импульсов напряжения разработаны импульсные стабилитроны. При мгновенном изменении напряжения нарастание лавины в них происходит за очень короткий промежуток времени (порядка 10^-11 с). Это обсто­ятельство позволяет использовать импульсный стабилитрон в качестве инверти­рованного диода, в котором участок лавинного пробоя можно рассматривать как прямую ветвь вольт-амперной характеристики импульсного диода.

Разновидностью стабилитрона является стабистор — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-ампер­ной характеристики. Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации, которое составля­ет примерно 0,7 В. Для увеличения напряжения стабилизации используют по­следовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или сформированных в одном кристалле. Для увеличения крутизны пря­мой ветви вольт-амперной характеристики базу стабистора делают низкоомной. Из-за малого сопротивления базы толщина p-n-перехода оказывается очень не­большой, поэтому напряжение пробоя стабисторов не превышает нескольких вольт. Температурный коэффициент стабисторов отрицателен, то есть с повыше­нием температуры прямая ветвь его характеристики сдвигается влево.

Варикапы

Варикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется зави­симость емкости р-n-перехода от значения обратного напряжения. Варикапы при­меняют в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная: С = f(u_обр). Ее иллюстриру­ет рис. 3.15, а, и описывается она уравнением

Здесь: С_о — емкость варикапа при и_о6р = 0;

φ_к0 — высота потенциального барьера в переходе;

т — коэффициент нелинейности, зависящий от распределения примеси в р-п-переходе (для резких переходов т = 0,5, для плавных — т = 0,3).

Ниже перечислены основные параметры варикапов:

□ Емкость варикапа С_B — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном значении обратного напряжения. Для разных типов варикапов эта емкость может быть от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад.

□ Коэффициент перекрытия по емкости К_с — отношение емкостей варикапа для двух заданных значений обратных напряжений. Значение этого параметра со­ставляет несколько единиц.

□ Добротность варикапа Q_B — отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при задан­ном значении емкости или обратного напряжения. Добротность лежит в пре­делах от нескольких десятков до нескольких сотен.

□ Температурный коэффициент емкости ά_с — относительное изменение емкос­ти ΔС при изменении температуры на ΔT (влияние температуры на емкость варикапа в основном обусловлено изменением контактной разности потенци­алов, практически ά_с = (2...4)*10^-4 К¹):

На рис. 3.15, б представлена схема включения варикапа, обеспечивающая изме­нение резонансной частоты колебательного контура. Обратное напряжение на варикап подается через разделительный высокоомный резистор, предотвраща­ющий шунтирование емкости варикапа малым внутренним сопротивлением источника питания. Конденсатор С необходим, чтобы исключить попадание постоянного напряжения в источник переменного напряжения, подключенный к колебательному контуру. Емкость этого конденсатора во много раз превышает емкость варикапа.

Туннельные диоды

В туннельных диодах используют контакт вырожденных полупроводников, на вольт-амперной характеристике которых при прямом напряжении имеется учас­ток с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 3.16, а).

Ниже перечислены специфические параметры туннельных диодов.

□ Пиковый ток I_П — прямой ток в точке максимума вольт-амперной характерис­тики. Его значение может находиться в интервале от десятых долей миллиам­пера до сотен миллиампер.

□ Ток впадины 1_B — прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики.

□ Отношение токов I_П/I_B — отношение пикового тока к току впадины. Для тун­нельных диодов из арсенида галлия I_П/I_B > 10, для германиевых туннельных диодов I_П/I_B = 3...6.

□ Напряжение пика U_П — прямое напряжение, соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия U_П = 100...150 мВ, для германиевых диодов U_П = 40...60 мВ.

□ Напряжение впадины U_B — прямое напряжение, соответствующее току впадины. У туннельных диодов из арсенида галлия U_B = 400...500 мВ, у германиевых диодов U_B = 250...350 мВ.

□ Напряжение раствора U_pp — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.

Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифферен­циальным сопротивлением позволяет применять туннельные диоды для усиле­ния, генерирования, переключения и преобразования электрических колебаний. На рис. 3.17, а в качестве примера показана схема включения туннельного диода как усилителя, а на рис. 3.17, б представлена диаграмма, поясняющая принцип ее работы. Сопротивление нагрузочного резистора в схеме меньше отрицательного сопротивления диода. В этом случае небольшое изменение входного напряжения приводит к появлению значительного напряжения на нагрузке. В связи с тем, что ток в туннельном диоде создается основными носителями заряда, прохождение которых не связано с накоплением неравновесного заряда, прибор обладает очень малой инерционностью. Предельная частота туннельного диода ограничи­вается барьерной емкостью перехода, сопротивлением базы и индуктивностью выходов. Она может достигать сотен гигагерц.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особен­ностью является то, что вместо участка с отрицательным сопротивлением на вольт-амперной характеристике имеется практически горизонтальный участок (см. рис. 3.16, б). В этих диодах обратная ветвь соответствует проводящему состоя­нию, а прямая ветвь — закрытому состоянию. Поэтому обращенный диод облада­ет выпрямительным эффектом. В обращенных диодах отсутствует накопление не­равновесного заряда, то есть они могут применяться на СВЧ. Обращенные диоды из арсенида галлия имеют максимальный ток в проводящем состоянии около 3 мА при напряжении около 0,15 В. В закрытом состоянии ток составляет от 0,05 до 0,15 мА при напряжении менее 0,9 В.

Фотодиоды

Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется управление величиной обратного тока с помощью света, Фотодиод устроен так, что в нем обеспечивается доступ света к р-п-переходу. В отсутствие светового потока в фотодиоде при обратном напряжении существует небольшой обратный ток, называемый темновым током. При воздействии света в области р-n-перехода происходит генерация электронно-дырочных пар, и обратный ток возрастает. Если внешняя цепь разомкнута, то возникшие в результате генерации носители заряда накапливаются в п- и p-областях структуры, вследствие чего уменьшается ширина р-n-перехода и снижается высота потенциального барьера. В результате на зажимах фотодиода появляется фото-ЭДС, зависящая от величины светового потока. Устройство фотодиода и схема его включения показаны на рис. 3.18, а, а на рис. 3.18, б приведены его вольт-амперные характеристики. Фототок, возника­ющий в диоде под действием света, пропорционален величине светового потока:

Здесь S_ИНТ. — интегральная чувствительность, характеризующая величину фотото­ка, возникающего при облучении фотодиода потоком белого света яркостью в 1 лм.

Направление фототока совпадает с направлением теплового тока, то есть отрицательное.

В общем случае уравнение вольт-амперной характеристики фотодиода с учетом принятых положительных направлений тока имеет вид

Здесь и_Д = E_И..П – i*R — напряжение на диоде.

Если и_Д << 0, то i =i_Q - i_ф, то есть в цепи имеется обратный ток, зависящий от светового потока.

Если в цепи отсутствует источник постоянного напряжения (E_И..П =0), то обрат­ный ток создает на резисторе R падение напряжения u_R = i*R. Ток в этом случае будет равен

Решив это уравнение относительно и_R, получим

Из полученного уравнения можно найти величину фото-ЭДС, приняв i = 0 (цепь разомкнута). Тогда

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: фотодиодном или фотогаль­ваническом. В фотодиодном режиме на диод подают обратное напряжение. В этом режиме ток и напряжение определяются по пересечению нагрузочной линии с одной из вольт-амперных характеристик. При изменении светового потока изме­няются ток в цепи и напряжение на диоде.

В фотогальваническом режиме внешний источник напряжения в цепи отсутству­ет. Режим работы определяется также по пересечению нагрузочной линии с соот­ветствующей вольт-амперной характеристикой. В данном случае oна проходит через начало координат! При R = 0 (короткое замыкание) нагрузочная линия совпадает с осью ординат, а при R =∞ (обрыв цепи) она совпадает с осью абсцисс. По точкам пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения мож­но определить фото-ЭДС при разных световых потоках, У кремниевых фотодио­дов она составляет около 0,5-0,55 В.

Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, обычно называют по­лупроводниковыми

фотоэлементами. Их используют для прямого преобразо­вания световой энергии в электрическую. Оптимальным режимом для фотоэле­ментов является такой режим, когда в нагрузку передается наибольшая мощность. Такая мощность получается при условии, что площадь прямоугольника с вер­шиной в точке А, где пересекаются вольт-амперная характеристика и нагрузоч­ная линия, оказывается наибольшей. В этом случае напряжение на нагрузке составляет 0,35-0,4 В, а плотность тока — 15-20 мА/см² при средней освещенно­сти солнечным светом.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающими диодами называют полупроводниковые диоды, в которых осу­ществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения. Они работают при прямом напряжении, в них при реком­бинации выделяется энергия в виде квантов электромагнитной энергии, равных ширине запрещенной зоны. Для получения видимого излучения нужны полупро­водники с широкой запрещенной зоной (более 1,8 эВ). Поэтому для изготовле­ния светодиодов используют такие полупроводниковые соединения, как фосфид галлия (дает красное свечение), карбид кремния (желтое свечение) и ряд других. Светоизлучающие диоды применяют в качестве индикаторов. Широкое приме­нение находят буквенно-цифровые индикаторы в виде матриц, содержащих не­сколько светодиодных структур, расположенных так, что при соответствующей комбинации светящихся элементов получается изображение цифр или букв.

Оптопары

Оптопарами называют приборы, в которых конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В оптопаре светоизлучающий диод преобразует электрический сигнал в световой, который через оптическую среду передается на фотоприемник, где снова преобразуется в электрический сигнал. Такое двойное преобразование сигнала позволяет уст­ранить электрическую связь между источником сигнала и нагрузкой. В качестве фотоприемника помимо фотодиодов используют фототранзисторы, фототирис­торы и фоторезисторы.

Контрольные вопросы

1. Что называется полупроводниковым диодом (ППД)?

2. Какая область ППД называется эмиттером?

3. Какая область ППД называется базой?

4. Напишите уравнение вольт-амперной характеристики ППД.

5. Что такое тепловой ток ППД?

6. Как влияет повышение температуры на прямую ветвь ВАХ?

7. Как влияет процесс генерации носителей заряда в и-р-переходе на ВАХ ППД?

8. Как влияет процесс рекомбинации носителей заряда в и-р-переходе на ВАХ ППД?

9. Охарактеризуйте разновидности пробоя ППД.

10. Как определяется режим работы ППД при наличии резистора, включенного последовательно с диодом?

11. Что такое барьерная и диффузионная емкости диода?

12. Почему ухудшаются выпрямительные свойства диода на высоких частотах?

13. Какие процессы происходят в базе диода в импульсном режиме работы?

14. Что такое стабилитрон?

15. Что такое туннельный диод?

16. Что такое обращенный диод?

17. Какими дифференциальными параметрами характеризуется диод?