Некоторые основные параметры полупроводниковых диодов

К основным параметрам диодов относят:

максимально допустимый постоянный прямой ток, А;

максимально допустимый импульсный прямой ток, А;

максимально допустимое постоянное обратное напряжение, В;

максимально допустимое импульсное обратное напряжение, В;

обратный ток, протекающий через диод в обратном включении при приложенном к его выводам максимально допустимом по-стоянном напряжении, мкА;

статическое сопротивление диода в прямом включении, равное отношению падения напряжения на диоде в прямом включении к силе прямого тока, Ом;

статическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению величины обратного напряжения к силе обратного тока, МОм;

динамическое сопротивление диода в прямом включении, со-ставляющее отношение изменения падающего не диоде посто-янного напряжения в прямом включении к величине изменения силы прямого тока, Ом;

динамическое сопротивление диода в обратном включении, рав-ное отношению изменения обратного напряжения к изменению величины обратного тока, Ом;

полная ѐмкость запертого диода, пФ;

Классификация диодов

Классификация диодов представлена в табл.1. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые на практике.

Таблица 1

Признак классификации	Наименование диода
Площадь перехода	Плоскостной Точечный
Полупроводниковый материал	Германиевый Кремниевый Арсенид галлиевый
Назначение	Выпрямительный Импульсный Сверхвысокочастотный Стабилитрон (стабистрон) Варикап и т.д.
Принцип действия	Лавинно-пролетный Туннельный Диод Шотки Излучающий Фотодиод Диод Ганна

 

Выпрямительный диод, условное графическое обозначение ко­торого приведено на рис. 10.1, использует вентильные свойства р-п- перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямитель­ных диодов используют в основном германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ (ЭК), управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном — разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения за счет падения напряжения U _пр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагру­зочного устройства, несколько ниже входного напряжения. Основными параметрами выпрями­тельных диодов являются:

I_{пр ср. max}— максимальное (за период входного напряжения) зна­чение среднего прямого тока диода;

U _{обр доп} — допустимое наибольшее значение постоянного обрат­ного напряжения диода;

f_max — максимально допустимая частота входного напряжения;

U _пр — прямое падение напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифицируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные (I_{пр ср. max}≤ 0,3 А); средней мощности (0,3 А ‹I_{пр ср. max} ≤ 10 А); большой мощности (I_{пр ср. max}» 10 А).

По частоте: низкочастотные (f_max ‹ 10³ Гц); высокочастотные (f_max › 10³ Гц).

 

Рис. 10. Условные графические обозначения полупроводниковых приборов:

1 — выпрямительный и импульсный диод; 2 стабилитрон и стабистрон; 3 —симметричный стабилитрон; 4 — варикап; 5 — туннельный диод; 6 — излучающий диод: 7 — фото диод; 8 — биполярный трагинстор р-п-р-типа; 9 — биполярный транзистор п- p -п-типа; 10 - полевой транзистор с управляющим  р-п-переходом и п-каналом; 11 — полевой транзистор с управляющим р-п-переходом и р-каналом; 12 — МДП транзистор с встроенным п- каналом; 13 — полевой транзистор с встроенным р-каналом; 14 - МДП транзистор с индуцированным п-каналом; 15 — МДП транзистор с индуцированным р-каналом; 16 – динистор;  17, 18 — тринистор с управлением соответственно по катоду и аноду, УЭ — управляющий электрод

Импульсный диод — полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий (как и выпрямительный диод) при своей работе прямую и обратную ветви. Длительность переходных процессов в диоде обусловлена пере­зарядом емкостей С_диф и С_зар. При малых уровнях инжекции основную роль в переходных процессах играет процесс перезаряда барьерной емкости С_зар. При больших уровнях инжекции про­цессы накопления и рассасывания заряда являются превалирую­щими. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром — временем восстанов­ления τ_вос его обратного сопротивления. Поэтому кроме основных парамет­ров характеризующих выпрямительные свой­ства, для импульсных диодов вводится параметр τ_вос, характери­зующий их быстродействие. В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.

Диод Шоттки. Основой является так называемый переход Шоттки, возникающий на границе металла, уровень Ферми которого находится в зоне проводимости, и полупроводника электронного типа проводимости, который имеет более низкую работу выхода, чем у металла. Для успешного функционирования перехода Шоттки приграничная область полупроводника должна быть бедна электронами, чтобы она обладала более низкой проводимостью, чем остальная часть полупроводникового кристалла.

Для изготовления переходов Шоттки в качестве полупроводника обычно используют кремний, а применяемые металлы и химические соединения – это золото, силицид платины, молибден и другие. Переход Шоттки не получить простым соприкосновением металла и полупроводника, а на металлическую пластину по технологиям эпитаксиального наращивания или напыления в вакууме наносят пленку полупроводника.

К достоинствам последних относят чрезвычайно малый обратный ток, который для отдельных диодов Шоттки может составлять единицы пикоампер, возможность работы компонентов отдельных марок на частотах до сотен гигагерц и даже выше. Некоторые мощные диоды Шоттки, которые используют в высокочастотных выпрямителях импульсных источников питания, допускают прямые токи в сотни ампер. Прямое падение напряжения на переходе Шоттки меньше, чем у типового электронно-дырочного перехода.

Основными недостатками диодов Шоттки выступают высокая стоимость используемых материалов и довольно низкое максимально допустимое обратное напряжение, которое обычно составляет всего лишь от 25 В до 150 В. Выдерживающие более высокие обратные напряжения диоды Шоттки (например, 400 В, 600 В), обычно получают последовательным соединением нескольких переходов Шоттки. От этого падение напряжения на сборке диодов Шоттки в прямом включении станет примерно таким же, или даже большим, чем у аналогичного по некоторым параметрам диода с электронно-дырочным переходом.

Сверхвысокочастотный диод (СВЧ диод) — полупроводнико­вый диод, предназначенный для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала (до десятков и сотен гигагерц). Сверхвысокочастотнные диоды широко применяются в устройствах генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ диапазона, умножения частоты, модуляции, регулирования и ограниче­нии сигналов и т. п. Условное обозначение сверхвысокочастотного диода аналогично выпрямительным диодам показано на рис. 10.1.

Стабилитрон и стабистор применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Отличие стаби­литрона от стабистора заключается в используемой для стабилизации напряжения ветви ВАХ. Как видно из рис. 2, б, ВАХ диода имеет участки АВ и CD, на которых значительному изменению тока соответствует незначительное изменение напряжения при сравнительно линейной их зависимости. Для стабилизации высо­кого напряжения (U >3 В) используют обратную ветвь (участок АВ) ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами. Для стабилизации небольших значений напря­жений (U<l В например, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами. Условное обозначение стабилитро­на и стабистора показано на рис. 10.2.

В схемах двуполярной стабилизации напряжения применяется симметричный стабилитрон, условное графическое обозначение ко­торого показано на рис. 10.5.

Туннельный диод — занимает особое место среди полупровод­никовых диодов из-за свойственной ему внутренней положитель­ной обратной связи по напряжению и хороших динамических свойств. Его ВАХ имеет участок отрицательного дифференциаль­ного сопротивления (участок CD на рис. 11,б). Это объясняется тем, что при очень малых толщинах запорного слоя (10... 10 нм и меньше) наблюдается туннельный переход зарядов из валент­ной зоны в зону проводимости. Туннельный диод, благодаря своей ВАХ, нашел широкое применение в качестве ключевого тензодатчика. Условное графическое обозначение туннельного диода при­ведено на рис. 10. 5.

 

Рис 11. Вольт-фарадная характеристика варикапа (а) и ВАХ туннельного диода (б)

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 электрически управляемой емкостью.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис.11а)—зависимость емкости варикапа С_в от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости С_в может изме­няться от единиц до сотен пикофарад. Условное графическое обозначение варикапа приведено на рис. 10.4.

Излучающий диод — полупроводниковый диод, излучающий из области p - n -перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода. Условное графическое обозначение излучающих диодов показано на рис. 10.6.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, и ИК-диоды — в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.

Фотодиод — полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта — ге­нерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда.

Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток. Условное графическое обозначе­ние фотодиода приведено на рис. 10.7.

Маркировка диодов. Маркировкаполупроводниковых диодов, разработанных после 1964 г„ предусматривает шесть символов. Первый символ — буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов спе­циального назначения), указывающая исходный полупроводнико­вый материал, из которого изготовлен диод: Г (1)—германий, К (2) —кремний, А (3) — GaAS. Второй символ — буква, обозна­чающая подкласс диода: Д—выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды: В — варикапы; С — стаби­литроны и стабисторы; Л — светодиоды. Третий символ— цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов — мощность рассеяний): например, 3 — переключательный, 4—универсальный и т. д. Четвертый и пятый символы—двузначное число, указы­вающее порядковый номер разработки (у стабилитронов — номи­нальное напряжение стабилизации). Шестой символ — буква, обо­значающая параметрическую группу прибора (у стабилитронов — последовательность разработки).

Примеры маркировки диодов:

ГД412А— германиевый (Г), диод (Д), универсальный (4),но­мер разработки 12, группа А;

КС196В — кремниевый (К), стабилитрон (С), мощность рас­сеяния не более 0,3Вт (1), номинальное напряжение стабилиза­ции 9,6В (96), третья разработка (В).

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

 

 

 

Лекция 3