Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт‑амперной характеристики, свойства полупроводниковых диодов бывают различными.
Полупроводниковые диоды могут отличаться друг от друга, например, по следующим признакам:
а) по применяемым исходным материалам (германиевые, кремниевые, на арсениде галлия и др.);
б) по структуре перехода (точечные и плоскостные);
в) по технологии изготовления (сплавные, диффузионные, эпитаксиальные и др.);
г) по функциональному назначению (выпрямительные, детекторные, импульсные и т. д.);
д) по частотному диапазону (низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные);
е) по мощности рассеяния (маломощные, средней мощности и мощные);
ж) по конструктивному оформлению (стеклянные, металлические, металлокерамические, пластмассовые).
Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Вольт-амперная характеристика такого диода, приведенная на рис. 2.5, а, имеет ярко выраженную нелинейность и описывается уравнением
. (2.8)
В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю:
. (2.9)
Рис. 2.5. Выпрямительный диод:
а - вольт‑амперная характеристика;
б - конструкция корпуса
В качестве полупроводниковых материалов для выпрямительных диодов используют германий и кремний. В выпрямительных диодах используются плоскостные несимметричные p-n- переходы, причем для германиевых диодов они создаются главным образом сплавным способом, а для кремниевых – сплавным и диффузионным. Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии, поэтому позволяют пропускать большие токи. Так как площадь p-n- перехода большая, то барьерная емкость этих диодов будет большой, достигая значений десятков пикофарад.
Вольт-амперные характеристики германиевых и кремниевых диодов одинаковой конструкции различаются между собой. На рис. 2.6 для сравнения показаны характеристики германиевого (рис. 2.6, а) и кремниевого (рис. 2.6, б) диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Поскольку ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, то обратный ток кремниевых диодов значительно меньше. Кроме того, обратная ветвь характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в р - п -переходе и токами утечки по поверхности кристалла.
Рис. 2.6. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов
Вследствие большого обратного тока у германиевых диодов наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них возникает электрический пробой.
Поскольку прямой ток диода определяется из уравнения Iпр = Is [exp(Uпр / jТ) – 1], вследствие меньшего значения обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых.
На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее генерация носителей зарядов и увеличиваются обратный и прямой токи диода.
Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в два, а кремниевых – в два с половиной раза. Однако вследствие того, что при комнатной температуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у кремниевого, абсолютное значение приращения обратного тока у германиевого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем у кремниевого. Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощности, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой.
Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для того, чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.
Полупроводниковые выпрямительные диоды обычно характеризуются следующими основными параметрами:
- постоянный обратный ток Iобр (мкА; мА) при некоторой величине постоянного обратного напряжения Uобр;
- постоянное прямое напряжение Uпр при постоянном прямом токе Iпр (мА; А).
При серийном выпуске выпрямительных диодов в технических условиях на них указываются средние значения параметров: Iобр. ср. при Uобр. макс. и Uпр. ср. при Iпр. ср. макс..
В технических условиях на выпрямительные диоды приводятся предельно допустимые электрические режимы эксплуатации: максимально-допустимое амплитудное значение обратного напряжения Uобр. макс. (В), средний прямой ток Iпр. ср. (А).
Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными также являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристические сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.
Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление r D и сопротивление по постоянному току R D.
Дифференциальное сопротивление определяется как
.(2.10)
На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r D невелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления r D будет равна r D = 1 Ом. На обратном участке вольт‑амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r D стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.
Сопротивление по постоянному току R D определяется как отношение приложенного напряжения U к протекающему току I через диод:
. (2.11)
На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление R D > r D, а на обратном участке – меньше R D < r D.
В точке вблизи нулевого значения напряжения U << kT/q значения сопротивления по постоянному току и дифференциального сопротивления совпадают. Действительно, разложив экспоненту в ряд в соотношении (2.11), получаем
. (2.12)
Используя характерное значение для обратного тока диода I 0 = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точке R D0 = r D0 = 1 кОм.
Коэффициент выпрямления идеального диода на основе p‑n перехода К рассчитаем по уравнению (2.8) как отношение прямого тока к обратному току диода. Получаем
. (2.13)
Как следует из соотношения (2.13), при значениях переменного напряжения, модуль которого V G меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях V G по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT / q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения V G = ± 0,1 В.
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня напряжения в схеме. Для этого используются приборы, у которых на вольт-амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока. Такой участок обусловливается электрическим пробоем p-n- перехода при включении диода в обратном направлении. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рис. 2.7, а.
Рис. 2.7. Вольт‑амперная характеристика (а)
и конструкция корпуса (б) стабилитрона
Подобной вольт-амперной характеристикой обладают сплавные диоды с базой, изготовленной из низкоомного полупроводникового материала. При этом напряженность электрического поля в p-n- переходе стабилитрона значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n- переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. Напряжение, при котором происходит лавинный пробой, зависит от удельного сопротивления полупроводникового материала. С ростом удельного сопротивления напряжение лавинного пробоя увеличивается.
Так как кремниевые диоды имеют меньшее значение обратного тока, обладают большей устойчивостью к тепловому пробою, чем германиевые диоды, поэтому в качестве стабилитронов применяют только кремниевые диоды.
Основными электрическими параметрами стабилитрона являются (в скобках даны их типовые значения):
- напряжение стабилизации Uст – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт – сотни вольт);
- ток стабилизации Iст – номинальное значение тока, протекающего через стабилитрон, определяющее напряжение стабилизации (несколько мА – несколько А);
- разброс величины напряжения стабилизации DUcт при протекании заданного тока стабилизации (несколько единиц процента);
- дифференциальное или динамическое сопротивление rст, которое определяется при заданном значении тока стабилизации на участке пробоя как
. (2.14)
Дифференциальное сопротивление определяет наклон обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона. Величина rст колеблется в пределах от 1 до 1000 Ом;
- температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКUст – относительное изменение напряжения стабилизации DUст / Uст к изменению температуры окружающей среды на DТ, т.е. при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока стабилизации (плюс - минус сотые – тысячные доли процента на градус):
, [%/град]. (2.15)
Кроме того, для стабилитронов существуют следующие предельно-допустимые параметры:
- максимально-допустимый ток стабилизации в диапазоне температур Iст. макс (десятки мА – единицы А);
- минимальный ток стабилизации в диапазоне температур Iст. мин (от 1 – 3 мА);
- максимально-допустимая мощность в диапазоне окружающей температуры Рмакс (от нескольких милливатт до нескольких ватт);
- полное тепловое сопротивление стабилитрона RТn-с, т.е. тепловое сопротивление переход–среда:
[°C/Вт], (2.16)
где Тс, Тn – температура среды и перехода соответственно.
Разброс по RТn-с составляет от десятков до сотен градусов на ватт.
При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U стаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление r ст идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина r ст составляет значение r ст » 2 - 50 Ом.
Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом.
Напряжение стабилизации U стаб зависит от физического механизма, обусловливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, – лавинный и туннельный пробой p‑n -перехода. Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации U стабневелико и составляет величину менее 5 вольт: U стаб < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: U стаб > 8 В.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов, в том числе стабилитронов, имеет крутой подъем, поэтому для стабилизации малых напряжений (порядка 0,8 – 1,5 В) можно использовать кремниевые диоды, включенные в прямом направлении. Такие приборы называют стабисторами.
Отечественная промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от 5 до 300 В при токе стабилизации от 0,1 мА до 2 А и при рассеиваемой мощности от 0,15 до 50 Вт.
Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p+‑n+ перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается n ‑образная зависимость тока от напряжения. На рис. 2.8, а приведена вольт‑амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении. Проанализируем особенности вольт‑амперной характеристики туннельного диода. Для этого рассмотрим p+‑n+ переход, образованный двумя вырожденными полупроводниками.
Рис. 2.8 Туннельный диод 1И104:
а - вольт‑амперная характеристика при прямом смещении;
б - конструкция туннельного диода
Если концентрация доноров N D и акцепторов N A в эмиттере и базе диода будет порядка 1020 см-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p p0, n n0 >> N C, N V. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p+ и n+ полупроводников.
В полупроводнике n+ ‑типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p+ ‑типа – дырками. Зонная диаграмма p+‑n+ перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками, приведена на рис. 2.9.
С позиции анализа токов для диффузионного тока (прямого) имеет место большая высота потенциального барьера. Чтобы получить типичные значения прямого тока, нужно приложить большое прямое напряжение (больше или примерно равное половине ширины запрещенной зоны E g/2). В выражении для дрейфового тока (обратного) концентрация неосновных носителей 
мала и поэтому обратный ток тоже будет мал. Геометрическая ширина вырожденного p‑n перехода сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p+‑n+ переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля.
а б
Рис. 2.9. Зонная диаграмма p+‑n+ перехода
в состоянии равновесия (а) и при обратном смещении (б)
Рассмотрим более подробно туннельные переходы в вырожденных p+‑n+ переходах при различных напряжениях. На рис. 2.9, б показана зонная диаграмма p+‑n+ перехода при обратном смещении. При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны p+ -области на свободные места в зоне проводимости n+ -области. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение вольт-амперных характеристик резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.
При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости n+ -области на свободные места в валентной зоне p+ -области. Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями. На рис. 2.10 показаны зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении, соответствующие различным участкам прямой ветви вольт-амперной характеристики.
Рис. 2.10. Зонные диаграммы туннельного диода
при прямом смещении:
а - участок 1; б - участок 2; в - участок 3
На участке 1 при небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости начинают появляться свободные места в валентной зоне при той же самой энергии. По мере роста напряжения число свободных мест возрастает и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости (участок 2). Затем по мере роста прямого напряжения число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости, оказываются состояния в запрещенной зоне (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют). На участке 3 туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p+ полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости.
При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока p‑n -перехода.
Рассмотрим вольт‑амперные характеристики p‑n -перехода в особом случае, когда энергия Ферми в электронном и дырочном полупроводниках совпадает или находится на расстоянии ± kT/q от дна зоны проводимости или вершины валентной зоны. В этом случае вольт‑амперные характеристики такого диода при обратном смещении будут точно такие же, как и у туннельного диода, то есть при росте обратного напряжения будет быстрый рост обратного тока. Что касается тока при прямом смещении, то туннельная компонента ВАХ будет полностью отсутствовать в связи с тем, что нет полностью заполненных состояний в зоне проводимости. Поэтому при прямом смещении в таких диодах до напряжений, больше или равных половине ширины запрещенной зоны, ток будет отсутствовать. С точки зрения выпрямительного диода вольт‑амперная характеристика такого диода будет инверсной, то есть будет высокая проводимость при обратном смещении и малая при прямом. В связи с этим такого вида туннельные диоды получили название обращенных диодов. На рис. 2.11 приведена вольт‑амперная характеристика обращенного диода.
Таким образом, обращенный диод – это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт-амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ‑диапазоне.
Рис. 2.11. Вольт‑амперная характеристика
германиевого обращенного диода ГИ403: а - полная ВАХ;
б - обратный участок ВАХ при разных температурах
Варикап – это полупроводниковый диод, который используется в качестве электрически управляемой емкости.
В варикапах используется свойство барьерной емкости обратно-смещенного p-n- перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.
Барьерная емкость p-n- перехода равна емкости плоского конденсатора:
, (2.17)
где S – площадь p-n- перехода; Xn – ширина области объемных зарядов.
С увеличением величины обратного напряжения Uобр на p-n- переходе его барьерная емкость Сб уменьшается. Характер изменения Сб в зависимости от приложенного к p-n- переходу напряжения Uобр показан на рис. 2.12. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения. Задавая профиль легированияв базе варикапа N D(x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C (U) – линейно убывающие, экспоненциально убывающие.
Рис. 2.12. Зависимость емкости варикапа
от напряжения смещения
Емкость варикапа меняется в широких пределах и его значение при обратном приложенном напряжении U определяют из выражения
, (2.18)
где Св (0) – емкость при U = 0; jк – значение контактной разности потенциалов равное
; (2.19)
n = 2 для резких переходов и n = 3 для плавных переходов.
Варикапы изготовляют на основе германия, кремния, арсенида галлия.
Основные параметры варикапа: номинальная (начальная) емкость Сном; добротность Qв, коэффициент перекрытия по емкости Кс и температурный коэффициент емкости (ТКЕ) aСв.
Номинальная емкость варикапа Сном – барьерная емкость p-n- перехода при заданном напряжении смещения и составляет от долей пФ до сотен пФ.
Коэффициент перекрытия по емкости Кс – отношение емкости варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений:
. (2.20)
Смакс ограничивается емкостью при U = 0, т.е. С (0). Смин ограничивается обратным допустимым напряжением. Кс позволяет определить величину изменения емкости в диапазоне рабочих напряжений от Uмин до Uмакс (Uмакс по абсолютной величине может достигать 200 В). Характерные значения Кс составляют 2 – 20, причем если плавные и резкие p-n- переходы имеют обычно Кс £ 4, то в случае сверхрезких p-n- переходов Кс имеют большие значения.
Добротность Qв – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала Хс к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Qв измеряют обычно при тех же обратных напряжениях, что и емкость варикапа. Как правило, варикапы работают в диапазоне высоких и сверхвысоких частот (f > 1 МГц), для которых
, (2.21)
где r – последовательное (по отношению к С) сопротивление диода, включающее сопротивление потерь в объеме кристалла полупроводника, сопротивление контакта и элементов конструкции. В настоящее время достигнуты значения Qв > 500 на f = 50 МГц при С = 70 пФ.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) aСв – отношение относительного изменения емкости к вызывающему его абсолютному изменению температуры окружающей среды, т.е., другими словами относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на 1 градус:
. (2.22)
Для кремниевых варикапов с резким p-n- переходом ТКЕ имеет значение порядка 5·10–4 град–1 при | U | = 4 В. С усилением зависимости емкости варикапа от напряжения, а также при понижении Uмин ТКЕ возрастает и при U = 1 В может достигать 5·10–3 град–1.
В радиоэлектронных устройствах свойство нелинейного изменения емкости варикапа используют для получения параметрического усиления, умножения частоты и т.д., а возможность электрического управления емкостью – для дистанционной и безынерционной перестройки резонансной частоты колебательного контура.