Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, в котором используется свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно- дырочный (p–n) переход, разделяющий p– и n–области кристалла полупроводника (рис. 10).

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (основных носителей заряда), называется эмиттером (анодом), а другая, с меньшей концентрацией, – базой (катодом).

Рис. 10

Принцип работы. При отсутствии внешнего напряжения на выводах диода происходит диффузия дырок (p–) и электронов (n–) из пограничного раздела двух областей к выводам, создавая объемный заряд, препятствующий диффузии зарядов через переход. Таким образом, на границе p–n–перехода образуется контактная разность потенциалов, создавая объемный заряд.

При приложении к выводам диода прямого напряжения (+U) создаваемое им электрическое поле Е будет вводить (инжектировать) большое количество дырок (неосновных носителей заряда для n-области базы – катода), которые и образуют прямой ток диода I.

Если к выводам диода приложить обратное напряжение (–U), то создаваемое им электрическое поле (–E) совпадает по направлению U_зар, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область.

а) б)

Рис. 11. Статические вольт-амперные (ВАХ) характеристики идеального p–n–перехода (а)
и реального диода (б)

Вольт-амперная характеристика реального диода представлена на рис. 11. Из нее следует, что при определенном значении обратного напряжения
U_ОБР = U_ПРОБ начинается процесс нарастания тока I_ОБР, соответствующий электрическому пробою p–n–перехода (отрезок АВ). Если в этот момент ток не ограничить, то произойдет электрический пробой (участок ВАХ ниже точки В). Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения U_ОБР работа диода соответствует пологому участку.

Прямая ветвь ВАХ реального диода описывается линейной зависимостью U = IR_Б. Этот участок ВАХ называют омическим прямой ветви.

Классификация диодовпредставлена на рис. 12.

а) б) в) г) д) е)

ж) з)

Рис. 12. Условные графические обозначения полупроводниковых диодов:
а) выпрямительный и импульсный диод; б) стабилитрон; в) симметричный стабилитрон;
г) варикап; д) туннельный диод; е) диод Шотки; ж) излучающий диод; з) фотодиод

Выпрямительный диод использует вентильные свойства p–n–перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ (ЭК), управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении диод замкнут, при обратном – разомкнут. При прямом напряжении за счет падения напряжения U_ПР на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузки, ниже входного напряжения. Значение U_ПР открытого диода не превышает для кремниевых диодов ~ 1,5 B. Основными параметрами выпрямительного диода являются:

I_{ПР СР MAX} – максимальное (за период входного напряжения) значение среднего выпрямленного тока;

U_{ОБР ДОП} – допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;

U_ПР – прямое падение напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Стабилитрон применяется в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Для стабилизации высокого напряжения (U > 3B) используют обратную ветвь (участок АВ) ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами.

К основным параметрам стабилитрона относятся: U_CT – номинальное напряжение стабилизации при заданном токе; r – дифференциальное сопротивление при заданном токе; I_{СТ MIH} – минимальный ток стабилизации; Р_MAX – максимально допустимая рассеиваемая мощность; температурный коэффициент (ТКН) стабилизации.

Варикап – полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости С_ЗАР от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрическим управлением емкости.

Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом напряжении смещения. При увеличении обратного смещения емкость варикапа уменьшается. Основными параметрами варикапа являются:

С – емкость при обратном напряжении 2 – 5 В;

К _С – коэффициент перекрытия по емкости для оценки зависимости С_В = f (U_ОБР).

Обычно С = 10 – 500 пФ, К = 5 – 20.

Диод Шотки– полупроводниковый диод с низким падением напряжения на открытом диоде – 0,3 В. Время восстановления обратного сопротивления t_BC составляет величину порядка 100 пс, что значительно меньше у обычных диодов. Кроме применения в цифровых схемах, диоды Шотки применяются в схемах вторичных источников электропитания с целью снижения статических и динамических потерь в выходных каскадах.