Принцип действия полупроводниковых диодов
Принцип действия полупроводниковых диодов основан на явлении односторонней проводимости границы раздела двух полупроводников с различными типами проводимости: электронной (электропроводность n-типа) и дырочной (электропроводность p-типа). Область электропроводности n-типа характеризуется тем, что прохождение тока здесь происходит за счет переноса отрицательно заряженных электронов, избыточное количество которых создается путем ввода в монокристалл полупроводника донорных примесей, например сурьмы, фосфора, мышьяка. В области электропроводности p- типа прохождение тока обусловлено переносом положительно заряженных «дырок» (дырка - это атом, у которого не хватает одного электрона и который, следовательно, обладает положительным зарядом, по абсолютной величине равным заряду электрона). Дырки получаются путем введения в монокристалл полупроводника акцепторных примесей, например, индия, бора, алюминия.
Вместе с тем следует отметить, что вследствие теплового разрыва связей между атомами в примесных полупроводниках всегда наряду с основными носителями, концентрация которых большая, существуют также неосновные носители: дырки в полупроводниках n - типа и электроны в полупроводниках p- типа. В полупроводниках без примесей число электронов всегда равно числу дырок.
При непосредственном контактировании двух полупроводников, один из которых обладает электронной, а другой дырочной электропроводностью, получается так называемый электронно-дырочный переход (p-n переход), основным свойством которого является зависимость величины его сопротивления от полярности приложенного напряжения. Для присоединения к внешней цепи у p-n областей полупроводника создают омические контакты с выводами.
Рассмотрим на примере двухслойного кристалла кремния процессы, происходящие в p-n переходе при воздействии на него внешнего напряжения. Если к p-области приложить положительный потенциал, а к n-области - отрицательный.ото основные носители тока будут двигаться в пограничном слое навстречу друг другу (рис.1). В результате сопротивление pn-перехода уменьшается и через границу раздела проходит прямой ток 
, ограниченный только сопротивлением нагрузки 
. Внешнее напряжение 
такой полярности называется прямым или проводящим.
Рисунок 1.
При изменении полярности приложенного напряжения (рис.1) дырки в p-области и электроны в n-области полупроводника будут удаляться от границы раздела, что приводит к увеличению сопротивления p-n перехода, а а поток основных носителей уменьшается до нуля. Через p-n переход проходит незначительный ток, создаваемый неосновными носителями, для которых приложенная разность потенциалов является ускоряющей. Внешнее напряжение такой полярности называется обратным 
или запирающим, а обусловленный им небольшой ток - обратным током 
.
Таким образом, значение и направление тока, проходящего через p-n переход двухслойной полупроводниковой структуры, зависят от значения и знака внешнего напряжения, т.е. p-n переход обладает выпрямляющими свойствами. Зависимость тока 
, проходящего через p-n переход, от приложенного к нему напряжения 
называется вольт-амперной характеристикой перехода. Эта характеристика имеет две ветви (рис.1): одна расположена в первом квадранте и соответствует проводящему направлению в p-n переходе (прямому току в нем), вторая - в третьем квадранте и характеризует запирающие свойства перехода.
Выпрямительный диод
В выпрямительном диоде монокристалл кремния легирован таким образом, что в нем образуются две области с р и n проводимостями и одним электронно-дырочным переходом между ними (рис.2.1). Вывод от р -области называется анодом, вывод от n -области — катодом.
Электрические свойства диода определяет его вольтамперная характеристика (ВАХ), представленная на рис.2.
Рисунок 2.
На ВАХ диода различают две ветви: прямую (построена в первом квадранте) и обратную. Следует иметь ввиду, что прямая и обратная ветви строятся в разных масштабах. Чтобы оценить различие масштабов, заметим, что отношение прямого тока к обратному достигает 105, а отношение обратного и прямого напряжений 103.
Прямая ветвь ВАХ имеет два характерных участка. На участке ОА дифференциальное сопротивление диода довольно велико, прямой ток мал. На участке АВС дифференциальное сопротивление резко снижается, и даже небольшое увеличение прямого напряжения вызывает значительный рост тока. На участке ОЕ обратной ветви ток очень мал и слабо зависит от напряжения. При напряжении Uпроб. происходит лавинный пробой p-n перехода, результатом которого является резкое увеличение тока при почти неизменном напряжении (участок DF). Увеличение мощности, выделяемой в р-n структуре, приводит к её сильному разогреву, вследствие чего наблюдается дальнейшее размножение носителей и некоторое снижение напряжения при одновременном росте тока (участок DG). Это явление называется термическим пробоем и сопровождается необратимым изменением структуры, в результате чего даже после охлаждения диод теряет вентильные свойства.
Чтобы предотвратить выход диодов из строя в результате термического пробоя при кратковременных повышения обратного напряжения, созданы специальные типы диодов — лавинные. Особенностью p-n структуры таких диодов является то, что при величине энергии, выделенной в результате лавинного пробоя, менее 3...5 Дж лавинный пробой не переходит в термический, и после прекращения импульса перенапряжения p-n переход восстанавливает свои запирающие свойства.
Электрические параметры выпрямительного диода соответствуют определенным точкам наего ВАХ. Основной точкой на прямой ветви является точка В, соответствующая предельной величине прямого тока, определяемой из условия допустимого нагрева. Напряжение, соответствующее этому току, называется прямым падением напряжения. Для силовых кремниевых диодов оно составляет 0,7..1,0 В. Точка D на обратной ветви соответствует напряжению лавинного пробоя. Точка Е определяет величину напряжения, называемого допустимым повторяющимся обратным напряжением. Оно составляет 0,7Uпроб. Этот запас по напряжению, который закладывается изготовителем.
Полупроводниковая промышленность выпускает выпрямительные диоды с предельными токами до нескольких тысяч ампер и допустимыми обратными напряжениями до нескольких киловольт.
Стабилитрон
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики.ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 3
Рисунок 3 - Вольт-амперная характеристика (а) и
конструкция корпуса (б) стабилитрона
При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление Rдиф идеального стабилитрона на этом участке ВАХстремится к 0, в реальных приборах величина Rдиф составляет значение: Rдиф ≈ 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 Uстаб зависит от физического механизма, обуславливающего 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 Uстаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: Uстаб < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: Uстаб > 8 В.Величина Ucn зависит от материала полупроводника, степени его легирования и технологии получения p-n перехода. У выпускаемых электронной промышленностью стабилитронов она лежит в пределах от 3 до 200 В.
Параметры стабилитрона
1. Напряжение стабилизации
2. Минимальный ток стабилизации. Если 
, Rдиф будет довольно высоким, а качество стабилизации низким.
3. Максимальный ток стабилизации. При его повышении лавинный пробой переходит в тепловой.
4. Дифференциальное сопротивление. 
.
5. Температурный коэффициент стабилизации – отношение относительного изменения Uст изменению температур. (Uст зависит от температуры)
.
Он показывает на сколько процентов изменяется напряжение Uст при изменении Т на 1 градус. У низковольтных стабилитронов 
>0.
Обозначения:
Первый элемент – КС (2С)
Второй элемент – трехзначное число. Первое -№ разработки, второе и третье- Uст.
Третий элемент – буква (А,Б,В) – разновидность тока.
Пример: КС168А (2С168А)
Uст=6,8В (5,6 разброс…8В)
Rd 
28 Ом
= 3 мА
=15 мА
.
Диод Шоттки
Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В специальной литературе часто используется более полное название — Диод с барьером Шоттки (ДШБ)
В диодах Шоттки в качестве барьера Шоттки используется переход металл-полупроводник, в отличие от обычных диодов, где используется p-n переход. Переход металл-полупроводник обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n перехода). К ним относятся: пониженное падение напряжения при прямом включении, высокий ток утечки, очень маленький заряд обратного восстановления. Последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n переходом у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей, т.е. они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной емкостью.
Диоды Шоттки изготавливаются обычно на основе кремния (Si) или арсенида галлия (GaAs), реже — на основе германия (Ge). Выбор металла для контакта с полупроводником определяет многие параметры диода Шоттки. В первую очередь — это величина контактной разности потенциалов, образующейся на границе металл-полупроводник. При использовании диода Шоттки в качестве детектора она определяет его чувствительность, а при использовании в смесителях — необходимую мощность гетеродина. Поэтому чаще всего используются металлы Ag, Au, Pt, Pd, W, которые наносятся на полупроводник и дают величину потенциального барьера 0,2...0,9 эВ.
Допустимое обратное напряжение выпускаемых диодов Шоттки ограничено 1200 вольт (CSD05120 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.
Свойства диодов Шоттки
Достоинства.
Падение напряжения на диоде Шоттки при его прямом включении составляет 0,2—0,4 вольт, в то время, как для обычных, например кремниевых диодов, это значение порядка 0,6—0,7 вольт. Столь малое падение напряжения на диоде, при его прямом включении, присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт, однако при повышении приложенного напряжения, падение напряжения на диоде Шоттки становится сравнимым с кремниевым диодом, что может ограничивать применение диодов Шоттки.
Теоретически диод Шоттки может обладать низкой электрической ёмкостью барьера Шоттки. Отсутствие p-n перехода позволяет повысить рабочую частоту. Это свойство используется в логических интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы база-коллектор транзисторов. В силовой электронике малое время восстановления позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше. Например, у диода MBR4015 (15 В, 40 А), предназначенного для выпрямления высокочастотного напряжения, время восстановления равно 10 кВ/мкс.
Благодаря указанным выше достоинствам, выпрямители на диодах Шоттки отличаются от выпрямителей на обычных диодах пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в аналоговых вторичных источниках питания.
Недостатки.
Даже при кратковременном превышении максимально допустимого значения обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя, в отличие от обычных кремниевых p-n диодов, которые переходят в режим обратимого пробоя, при условии, что рассеиваемая кристаллом диода мощность не превышает допустимых значений, после падения напряжения диод полностью восстанавливает свои свойства.
Диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых p-n диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для 30CPQ150 обратный ток при максимальном обратном напряжении изменяется от 0,12 мА при +25 °C до 6,0 мА при +125 °C. У низковольтных диодов в корпусах ТО220 обратный ток может превышать сотни миллиампер (MBR4015 — до 600 мА при +125 °C). Неудовлетворительные условия теплоотвода при работе диода Шоттки с высокими токами приводят к его тепловому пробою.
Светоизлучающие диоды (светодиоды)
Структура кристалла такая же, как и у выпрямительного диода (p и n области и один p-n переход).
При протекании прямого тока дырки из р-области переходят в n-область, где рекомбинируют с электронами, электроны- в р-область, где рекомбинируют с дырками. При рекомбинации носителей выделяется энергия, затраченная на их образование и перенос через p-n переход. В выпрямительных диодах она выделяется в виде тепла (диод нагревается). В светоизлучающих – в виде видимого или инфракрасного излучения. Чтобы это излучение было направленным, корпус изготовлен из прозрачного материала (спец.пластмасса или стекло), и имеет форму сферической линзы. Цвет излучения зависит от материала полупроводника, легирующих элементов и степени легирования. В качестве материала используются как однокомпонентные, так двухкомпонентные полупроводники (кремний, карбид кремния, фосфид галлия, арсенид галлия). Цвет – желтый, оранжевый, красный, зеленый, синий.
Для ограничения прямого тока светодиод следует включать обязательно с балластным резистором.
Применение.
Вместо сигнальных ламп накаливания. Преимущества- экономичность, неограниченный срок службы.
В знаковых индикаторах измерительных приборов.
Параметры.
Максимальный прямой ток (обычно 10-20 мА).
Прямое падение напряжения (2-3 В).
Цвет свечения.
Яркость, кd/м2.
В перспективе полупроводниковые светоизлучатели будут использоваться для освещения. Для этого предстоит повысить их световую отдачу (люмен/Вт).