Диффузионные диоды получают за счет диффузии в полупроводниковую пластину примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазах.

Если на поверхность полупроводника нанести защитный слой с отверстиями и через эти отверстия проводить диффузию примеси, то получают планарный р-n-переход.

Собственная емкость диффузионных диодов меньше, чем сплавленных, и составляет С_д 1…2 пф.

Маркировка ППД предусматривает шесть символов. Первый символ – буква (для диодов общего назначения) или цифра (для специальных диодов – работающих при повышенных температурах) - указывает материал полупроводника: Г (1) – германий, К (2) – кремний, А (3) – GaAs. Второй символ – буква, означающая подкласс диода: Д – выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсивные диоды; В – варикапы; С – стабилитроны и стабисторы; Л – светодиоды. Третий символ – цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов – мощность рассеяния): три – переключательный, четыре – универсальный. 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:

ГД 412А – (Г) – германиевый, (Д) – диод, (4) – универсальный, (12) – номер разработки, (А) – группа;

КС 196 В - (К) – кремниевый, (С) – стабилитрон, (1) – мощность расстояния не более 0,3 Вт, (96) – номинальное напряжение стабилизации 9,6 В, (В) – третья разработка. Обозначения диодов на электрических схемах показаны на рис. 1.6

.

 

1. 6. Выпрямительные диоды

 

Работа выпрямительного диода основана на свойстве p-n–перехода пропускать ток в одном направлении – прямом.

 

Прямая ветвь вольт–амперной характеристики выпрямительного диода, изображенной на рис.1.7, уже при небольшом прямом токе является линейной. Это – основная рабочая область характеристики диода.

К основным параметрам выпрямительных диодов, характеризующим их работу в выпрямительных схемах, относятся:

U_пр.ср – среднее значение прямого падения напряжения, определяемое по вольт–амперной характеристике при заданном значении I_пр.ср;

I_обр – среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения U_обр;

ƒ – диапазон рабочих частот, в пределах которого ток диода не уменьшается ниже заданной величины. В справочниках часто приводят предельную частоту диапазона ƒ_max.

Кроме того, параметрами предельного электрического режима диода являются:

U_обр.max – предельно допустимая амплитуда обратного напряжения;

I_пр.max – максимальное значение прямого тока.

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (I_пр.ср < 0,3 А), средней (0,3 < I_пр.ср < 10 А) и большой (I_пр.ср > 10 А) мощности.

Для повышения допустимого обратного напряжения изготовляются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно, а также выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Область применения выпрямительных диодов – преобразователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (выпрямители – АС-DC преобразователи.

 

 

1.7. Диоды Шоттки

В 1939 немецким физиком Вольтером Шоттки было экспериментально обнаружено явление выпрямления слабых сигналов в области соприкосновения металлической иглы с полупроводниковым кристаллом. По имени ученого диоды на основе контакта «металл-полупроводник» назвали диодами Шоттки.

Для возникновения потенциального барьера необходимо, чтобы работы выхода металла и полупроводника были различными. В полупроводнике n-типа работа выхода из него в металл должна быть меньше, чем из металла в полупроводник (Ф _ВЫХ n < Ф _ВЫХ м). В этом случае, при сближении полупроводника n-типа с металлом, поток электронов из полупроводника n-типа в металл будет больше, чем в обратном направлении и металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. При сближении полупроводника р-типа с металлом, обладающим меньшей Ф _{ВЫХ. М}, металл заряжается положительно, а полупроводник - отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов: U_k = (Ф _ВЫХ м – Ф _ВЫХ n) /е, где е - заряд электрона. Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов Uk создаётся в приповерхностном слое полупроводника. При изготовлении диода Шоттки (рис. 1.8) на очищенную поверхность слаболегированного полупроводникового кристалла (Si, GaAs) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения. При этом в приконтактной области полупроводника как и в диодах с электронно-дырочным переходом возникает потенциальный барьер, изменение высоты которого под действием внешнего напряжения приводит к изменению тока через прибор.

 

 

 

Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки (рис.1.9) имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых смещений ток экспоненциально растёт с увеличением приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения не зависит. В обоих случаях, при прямом и обратном смещении, ток в барьере Шоттки обусловлен основными носителями заряда - электронами. По этой причине диоды на основе барьера Шоттки являются быстродействующими приборами, поскольку в них отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы. Прямое падение напряжения у кремниевого диода Шотки очень мало, обычно порядка 0.2...0.45 В. Падение напряжения пропорционально максимальному обратному напряжению. Например, падение напряжения на диоде с обратным напряжением 10 В может составлять всего лишь 0.3 В. Чем выше максимальное обратное напряжение и номинальный ток, тем больше прямое падение напряжения вследствие увеличения толщины n-слоя.

Недостатки диодов Шоттки:

во-первых, при кратковременном превышении максимального обратного напряжения, диод Шоттки необратимо выходит из строя, в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и при условии не превышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности, после снятия напряжения диод полностью восстанавливает свои свойства;

во-вторых, диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла.

 

 

В настоящее время для нужд преобразовательной и силовой электроники освоен выпуск диодов Шоттки на основе карбида кремния. В частности, компанией CREE выпускаются диоды Шоттки на основе карбида кремния с напряжением до 1200В и током до 20А.

Главное преимущество высоковольтных SiC-диодов Шоттки (ДШ) состоит в их исключительных динамических характеристиках. Заряд обратного восстановления (Qrr) этих диодов чрезвычайно низок (менее 20 нКл) и, как результат, - минимальны потери на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники. Кроме того, в отличие от кремниевых PiN диодов, скорость нарастания тока (di/dt) не зависит от величины прямого тока и температуры. Диоды нормально работают при максимальной температуре перехода 175°С.

Компанией CREE выпускается небольшой спектр SiC-диодов Шоттки, который состоит из трех групп: ДШ на напряжение 300, 600 В и 1200В.

Диоды Шоттки выпускаются компанией CREE в стандартных пластмассовых корпусах TO-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3, TO-263.

Преимущества применения SiC-диодов

Диоды Шоттки компании CREE находят применения в импульсной силовой электронике: в схемах корректоров коэффициента мощности, в приводах электродвигателей и др. Применение этих диодов оправдывает себя при работе на повышенных частотах и напряжениях и делает экономически выгодными их использование.

Благодаря уникальным свойствам SiC-диодов, они могут работать на частотах вплоть до 500 кГц, обеспечивая высокую эффективность устройств порядка 92%.

При работе на высоких частотах уменьшаются габариты индуктивностей примерно на 30%. Благодаря отсутствию тока обратного восстановления снижаются электромагнитные помехи, что может позволить сэкономить на сетевом фильтре.

 

Уменьшение размера и веса электронных систем первоначально обусловлено требованием рынка на возрастающую плотность мощности. Для того, чтобы достигнуть этой цели без ущерба для функциональности системы, необходимо уменьшить размер и вес импульсного источника питания этой системы. В этом смысле SiC-диоды обладают рядом замечательных свойств:

• Очень малым (практически нулевым!) временем восстановления основных носителей заряда при переключениях;

• Более высокое напряжение пробоя, чем у кремниевых приборов;

• Высокая температура функционирования до +175°С;

• Высокая частота переключения, до 500кГц, что уменьшает размер фильтра электромагнитных помех и размеры других пассивных компонентов.

• Уменьшение, либо исключение активных или пассивных демпферных цепей.

• Положительный температурный коэффициент прямого падения напряжения позволяет осуществлять параллельное включение диодов без дополнительных компенсирующих цепей.