Полупроводниковые диоды. Общие характеристики диодов



Диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Устройство полупроводникового диода

База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты с n- и p-областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.

Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрическом переходе, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Различают диоды:

в зависимости от назначения:

  • выпрямительные;
  • стабилитроны;
  • варикапы;
  • туннельные;
  • импульсные и др.;

по применяемым исходным  материалам:

  • германиевые;
  • кремниевые;
  • из арсенида галлия;

по технологии изготовления:

  • сплавные;
  • диффузионные;
  • планарные;

по частотному диапазону:

  • низкочастотные;
  • высокочастотные;
  • СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода:

  • плоскостные;
  • точечные.

Плоскостным называют р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.

Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германия n-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводника n-типа – базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном   корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.

В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем диффузии из газовой фазы атомов примеси в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.

Рис. 3.2. Устройство диода: а – плоскостного; б - точечного

В точечных диодах (рис. 3.2, б) выпрямляющий p-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10…20 мкм) и кристаллом полупроводника обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводника p-типа. Точечные диоды вследствие малой площади p-n-перехода выпускаются на малые токи.

Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики: 1 –n-p-перехода, 2 –диода

Теоретические вольт-амперные характеристики n-p-перехода и полупроводникового диода (рис.3.3) несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы (rб), которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Падение напряжения на сопротивлении rб становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате, напряжение непосредственно на n-р-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:

Отсюда напряжение, приложенное к диоду, равно:

Uэб = I rб + Upn.

Необходимо заметить, что сопротивление базы (rб) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I0. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации (Iтг). С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и ток Iтг также увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки (Iу). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый Iобр, определяется как сумма токов:

Iобр = I0 + Iтг + Iу.

Каждый тип диодов характеризуется параметрами – величинами, определяющими основные свойства приборов, а также имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:

  • постоянный обратный ток диода (Iобр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;
  • постоянное обратное напряжение диода (Uобр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;
  • постоянный прямой ток диода (Iпр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;
  • постоянное прямое напряжение диода (Uпр) – значение  постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры – параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:

  • максимально допустимая рассеиваемая мощность (Рmах);
  • максимально допустимый постоянный  прямой ток (Iпр. mах), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;
  • максимально допустимое постоянное обратное напряжение (Uобр. mах);
  • дифференциальное сопротивление (rдиф);
  • минимальная (Тмин) и максимальная (Тmах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Рmах) определяется тепловым сопротивлением диода (Rт), допустимой температурой перехода (Тп mах) и температурой окружающей среды (То) в соответствии с соотношением:

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

Обратное максимально допустимое напряжение (Uобр. mах) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:

Uобр max ? 0,8 Uпроб.

Дифференциальное сопротивление (rдиф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

Сопротивление rдиф зависит от режима работы диода.

Минимальная температура окружающей среды (Тмин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Тмакс= +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Обозначение диодов состоит из шести символов:

  • первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются  диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 – германий;
К или 2 – кремний;
А или 3 – соединения галлия;

  • второй символ (буква) указывает подкласс приборов:
А – сверхвысокочастотный; Б – с объёмным эффектом Ганна;
В – варикапы; Г – генераторы шума;
Д – выпрямительные, универсальные, импульсные; И – туннельные и обращенные;
К – стабилизаторы тока; Л – излучающие;
Н – динисторы; С – стабилитроны стабисторы;
У – тиристоры; Ц – выпрямительные столбы и блоки;
  • третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают  диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).
  • четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).
  • шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Похожие записи:
    None Found
Запись опубликована в рубрике Физика. Добавьте в закладки постоянную ссылку.