Общие сведения о полупроводниковых диодах

По конструктивно-технологическому принципу диоды разде­ляют на точечные и плоскостные. Точечные диоды рассчитаны на токи до нескольких миллиампер, а плоскостные — до несколь­ких ампер.

 

Точечные диоды (рис. 3.8) изготовляют в виде тонкой пластинки из полупроводника с электронной проводимостью. Сверху в пластину упирается контактная пружина из вольфра­мовой проволоки, заострённый конец которой покрыт слоем алю­миния или индия. Этот слой — акцепторная примесь — обеспе­чивает создание около заострённого конца полупроводника об­ласти с дырочной проводимостью. Для защиты перехода от внешних воздействий его помещают в стеклянный или металлический герме­тический корпус 1. Точечные диоды благодаря небольшой площади p-n перехода и незначительной ёмкости применяют в высокочастот­ных диодах.

Плоскостные диоды (рис. 3.9) выполняют в виде плас­тинки, закреплённой на дер­жателе. В эту пластинку сплавлением или диффузией внедряют атомы индия или германия, или алюминия для кремния, образуя n пе­реход. Верхний контакт представляет собой массив­ную деталь, способную про­пускать значительные токи и рассеивать тепло.

Всё это помещают в герметизированный корпус с выводом, изолированным стеклянным изолято­ром. На рис. 3.9 представлена конструкция плоскостного диода. Для изготовления плоскостных диодов с небольшой междуэлек­тродной ёмкостью используют специальные технологические приёмы. В результате получают диоды с малой ёмкостью пере­ходов. В качестве основного материала при изготовлении диодов используют германий, кремний, арсенид и фосфид галлия.

Исходя из назначения и функций, которые выполняют диоды, их можно разделить на несколько видов.

Выпрямительные диоды — предназначены для выпрямления пе­ременного тока низкой частоты. В качестве выпрямительных дио­дов используют плоскостные диоды, допускающие большие токи. Исходный материал для выпрямительных диодов широкого диа­пазона мощностей — кремний.

Высокочастотные диоды — предназначены для выпрямления пе­ременного тока в широком диапазоне частот, а также для других нелинейных преобразований. В качестве высокочастотных (универ­сальных) диодов применяют диоды точечной конструкции.

Импульсные диоды—применяются в схемах генерирования и уси­ления импульсов микросекундного и наносекундного диапазонов — изготавливаются на основе германия или кремния в виде плос­костной или точечной конструкции.

Туннельные диоды — применяют в качестве усилителей или ге­нераторов высокочастотных колебаний, в разнообразных импульс­ных схемах в качестве переключателей. Выполняют диоды из крем­ния, германия или арсенида галлия плоскостного типа.

Диоды с барьером Шотки - выполняют на основе структуры металл-полупроводник. Применяют для генерирования электричес­ких колебаний, преобразования амплитуды и частоты, а также све­товой энергии в электрическую. Такие диоды технологичны в изго­товлении и обладают высоким быстродействием.

Светодиоды — используют в качестве световой индикации на­личия тока; в зависимости от выбранного материала или ширины запрещённой зоны имеют разные цвета свечения (жёлтый, красный, зелёный).

Стабилитроны и стабисторы - предназначены для стабилиза­ции уровня напряжения при изменениях значения протекающего через него тока. Рабочий участок стабилитронов - обратная часть вольт-амперной характеристики; у стабисторов — прямой участок характеристики.

Варикапы — полупроводниковые диоды, ёмкость которых мож­но изменять в широких пределах. Конструктивно их выполняют плоскостного типа на основании кремния, германия или арсенида галлия.

Выпрямительные диоды

Общие сведения

Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Диапазон токов этих широко используемых на железнодорожном транспорте при­боров весьма велик: от десятков миллиампер (в устройствах желез­нодорожной автоматики и связи) до десятков ампер (в аппаратуре подвижного состава и тягового электроснабжения). Для получения большого прямого тока увеличивают площадь p-n перехода. По­этому многие выпрямительные диоды плоскостные.

Выпрямительный полупроводниковый диод представляет собой прибор с одним p-n переходом и двумя выводами. Вывод, к которо­му течёт ток из внешней электрической цепи при прямом включе­нии диода (вывод из зоны типа p), называют анодным; вывод, от которого прямой ток направляется во внешнюю цепь (вывод из зоны типа n), именуют катодом.

Основные параметры

Эксплуатационные свойства выпря­мительных диодов характеризуют их параметры, приводимые в справочной литературе.

Номинальные значения токов и напряжений определяются ветвями вольт-амперной характеристики ди­ода (рис. 3.10): U_пр - постоянное пря­мое напряжение диода при заданном постоянном токе I_пр; I_обр — постоян­ный обратный ток диода, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном на­пряжении U_обр.

 

Предельный режим работы прибора характеризуют максималь­но допустимые параметры, значения которых не должны превы­шаться при любых условиях эксплуатации. К ним относятся:

- U_обр.ax — максимально допустимое постоянное обратное на­пряжение диода, превышение его ведёт к пробою p-n перехода и выходу диода из строя;

- I_пр.max — максимально допустимый постоянный прямой ток определяется условиями нагрева прибора. При кратковременном (импульсном) воздействии тока значение его может быть увеличе­но. Соответственно различают максимально допустимый импульсный прямой ток;

- P_ср.max - максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях.

Максимально допустимые параметры диода снижаются при по­вышении температуры.

Диод характеризуется следующими параметрами:

- крутизна вольт-амперной характеристики

S = ∆ I/ ∆U,мА/В; (3.2)

- внутреннее сопротивление диода переменному току

R_i= ∆U / ∆ I кОм; (3.3)

- внутреннее сопротивление диода постоянному току

R₀=U/I,кОм; (3.4)

- коэффициент выпрямления

K_выпр=I_пр/I_обр=R_обр/R_пр (3.5)

В полупроводниковых диодах следует различать сопротивление диода в прямом направлении R_0пр, которое относительно мало, и

 

сопротивление диода в обратном направлении R_0обр, которое от­носительно велико, но не равно бесконечности.

Для полупроводникового диода установились следующие поня­тия, характеризующие его свойства:

прямой ток (I_пр) — это ток, протекающий через диод в прямом направлении. Его максимальная величина при длительном проте­кании не должна вызывать недопустимого перегрева диода и за­метного изменения его характеристики;

выпрямленный ток — это среднее значение выпрямленного тока или постоянная составляющая пульсирующего тока;

обратный ток (I_обр) — это ток, протекающий через диод, когда к диоду приложено обробратное напряжение.

Силовой диод

Силовые диоды выполняют из монокристалла кремния. Для по­лучения p-n перехода используют сплавной или диффузионный ме­тод. Для обеспечения надёжного отвода тепла от p-n перехода ис­пользуют охладительные радиаторы. Наибольшая температура, при которой работают кремниевые диоды, до 140 °С и определяется ус­ловиями надёжности спаян­ных соединений.

На рис. 3.11 приведена вольт-амперная характеристи­ка силового диода. Парамет­ры, характеризующие силовые полупроводниковые диоды:

— номинальный прямой ток - это такой ток, который может проходить через диод длительное время, не перегревая его;

— падение напряжения в проводящем направлении ∆U при номинальном токе;

— обратное максимальное напряжение U_обрmax, при превышении которого проис­ходит пробой диода;

 

 

— обратное номинальное напряжение U_{обр ном}, при котором диод
может работать длительное время, не пробиваясь;

— обратный ток I_обр, возникающий при приложении обратного
номинального напряжения;

— тепловое сопротивление R_т = ∆τ/Р, °С/Вт - способность конструкции диода отводить тепло, выделяющееся в нём в процессе работы.

 

Силовые кремниевые диоды делятся на классы, группы и под­группы. Класс диода зависит от значения обратного номинального напряжения и определяется как соотношение U_{o5 M} /100. Группа диода определяется значением падения в прямом направлении при номинальном токе I_ном. Обозначаются группы буквами от А до Е. Так, падение напряжения группы А равно 0,4—0,5 В, группы Б — 0,5—0,6 В; группы Е — 0,9—1,0 В. Каждая группа делится на три подгруппы, отличающиеся значением падения напряже­ния (0,4—0,42; 0,44—0,46; 0,48—0,5 В).

Маркировку диода наносят на корпус. Она включает в себя все параметры, которые необходимо знать в условиях эксплуатации. Например, маркировка В200-8-54 означает: вентиль кремниевый, но­минальный ток 200 А, 8-й класс (обратное номинальное напряжение 800 В), группа Б, т.к. падение напряжения при номинальном токе равно 0,54 В. Более современное обозначение диода Д161-200-18. Ла­винные вентили имеют такую же маркировку. Например, ВЛ200-10-55 означает: вентиль кремниевый, лавинный, номинальный ток 200

А, 10-й класс (обратное напряжение 1000 В), прямое падение напряжения 0,55 В.

Вместе с простыми диодами приме­няются лавинные, внешне от них ничем не отличающиеся, за исключением кон­струкции p-n перехода. С поверхности пластины кремния снимается фаска по окружности (рис. 3.12), вследствие чего ширина области объемного заряда в зоне выхода увеличивается и напряжен­ность поля снижается. Кроме того, в области выхода p-n перехода по окруж­ности пластины концентрацию основ­ных носителей зарядов выполняют меньшей, чем в средней части. Поэто­му ширина p-n перехода в этой зоне увеличивается, и напряжение пробоя в средней части пластины ока­зывается меньшим, чем у торца пластин. У лавинных диодов об­ратный ток в процессе пробоя хотя и нарастает лавинообразно, но остается «управляемым» и протекает по всей площади структуры, а воспринимаемое диодом напряжение ограничивается. Лавинные диоды допускают большую мощность рассеивания в обратном на­правлении и поэтому устойчивее к перенапряжению, а также име­ют более низкий запас по обратному напряжению по сравнению с обычными (20 % вместо 50 %).

Опорные диоды

Опорные диоды приме­няются для поддержания постоянного напряжения (стабилизации напряже­ния) в схемах, где выпрям­ленное напряжение может изменяться. Эти диоды по­лучили название стаби­литронов.

На рис. 3.15 приведена схема стабилизации напря­жения. Резистор R_б балла­стное сопротивление. На него сбрасывается избыток напряжения.

Отличительная особен­ность вольт-амперной ха­рактеристики этого диода - относительное постоянство напряжения, создаваемое на диоде после наступления электрического пробоя (рис. 3.16 участок АБ).

В германиевых диодах электрический пробой очень быстро пе­реходит в тепловой. Поэтому опорные диоды изготавливаются на основе кремния, выдерживающего более высокие температуры. Для стабилизации большого напряжения можно включать последова­тельно несколько однотипных опорных диодов.

Прецизионные термокомпенсированные стабилитроны. В этих приборах обычно используются три последовательно соединён­ных p-n перехода. Один из них - стабилизирующий, включается в обратном направлении, а два других - термокомпенсирующие, включающиеся к прямом направлении. Стабилизирующий переход работает в режиме лавинного пробоя. С повышением температуры напряжение на нём растёт. Одновременное прямое напряжение на двух термокомпенсирующих переходах уменьшается. Общее напря­жение на стабилитроне изменяется незначительно.

Варикапы

Варикапы — это полупроводниковые диоды, действие которых основано на использовании зависимости ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикап предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью. Варика­пы называют также параметрическими диодами.

Варикапы включают в обратном направлении (рис. 3.17, а), т.к. при прямом смещении ёмкость p-n перехода шунтируется его ма­лым сопротивлением.

 

Последовательно с варикапом включают высокоомный резистор R, уменьшающий шунтирование ёмкости варикапа внутренним сопротивлением источника питания.

Вольт-фарадная характеристика варикапа представлена на (рис. 3.17, б). Один из основных параметров варикапа - общая ём­кость варикапа С_в, включающая барьерную ёмкость и ёмкость кор­пуса, т.е. ёмкость, измеренная между выводами варикапа при за­данном обратном напряжении.

К варикапам предъявляются следующие требования: обеспече­ние высокой добротности прибора; максимальный диапазон изме­нения ёмкости при изменении обратного напряжения; повышение максимальной ёмкости.

На рис. 3.17, в представлено условное графическое обозначение варикапа.

Туннельные диоды

Для изготовления туннельных диодов применяют полупроводни­ковый материал (германий, арсенид галлия) с большой концентра­цией примесей (до 10¹⁹ примесных атомов в 1 см³; в полупроводни­ках обычных диодов концентрация примесей не превышает 10¹⁵ в 1 см³). Полупроводники с таким большим содержанием примесей пре­вращаются в полуметаллы и называются вырожденными; они обла­дают в большей степени свойствами полупроводников. Электроны в вырожденных полупроводниках ведут себя, как в металлах.

Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через p-n переход. При этом ток начинает проходить через p-n переход при напряжении, значительно меньшем контактной разности потен­циалов. Достигается туннельный эффект созданием очень тонкого обеднённого слоя, который в туннельном диоде достигает 0,01 мкм. При таком тонком обеднённом слое в нём даже при напряжении 0,6—0,7 В напряжённость поля достигает (5—7)10⁵ В/см. При этом через такой узкий p-n переход протекает значительный ток.

Этот ток проходит в обоих направлениях, только в области пря­мого смещения ток сначала растёт, а достигнув значения I_max при напряжении U₁, довольно резко убывает до I_min при напряжении U₂. Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U₂ число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает.

 

При дальнейшем повышении напряжения выше U₂ прохожде­ние прямого тока такое же, как у обычного диода, и определяется диффузией.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 3.18, а. На ней можно выделить три основных участка: на­чальный участок роста тока (0А); участок спада тока (АБ); участок дальнейшего роста тока (БВ). Очевидно, что на падающем участке АБ положительному приращению напряжения соответствует отри­цательное приращение тока. Поэтому на данном участке туннель­ный диод обладает отрицательным сопротивлением.

Схема замещения туннельного диода в выбранной рабочей точке на участке отрицательного сопротивления для малого сигнала имеет вид, приведённый на рис. 3.18, б. На этой схеме С - общая ёмкость диода в точке минимума вольт-амперной характеристики; G - отрицательная проводимость на падающем участке; R_п - последовательное сопротив­ление потерь; L - индуктивность выводов. На рис. 3.18, в условное гра­фическое обозначение туннельного диода.

Маркировка диодов

Маркировка диодов, разработанных после 1964 года, предусмат­ривает семь символов. Первый символ - буква (для приборов об­щего назначения) или цифра (для приборов специального назначе­ния), указывает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г (1) - германий или его соединения; К (2) - кремний или его соединения; А (3) - арсенид галлия.

Второй символ - буква, обозначает подкласс диода: Д - выпрями­тельные, высокочастотные и импульсные диоды; В - варикапы; С - стабилитроны; И - туннельные диоды; Л - светодиоды и т.д.

Третий символ - цифра или буква, указывает назначение при­бора или принцип действия (может отсутствовать).

Четвёртый, пятый и шестой символы составляют трёхзначное число, обозначает порядковый номер разработки (группу прибо­ров данного типа).

Седьмой символ - буква, обозначает разновидность прибора в данной группе (указывает на отличие по параметру).

Примеры маркировки диодов:

ГД412А - германиевый (Г), диод выпрямительный (Д), поряд­ковый номер разработки 412, разновидность прибора в данной груп­пе А. (Третий символ в обозначении прибора отсутствует).

2ДС523Г - набор (С) кремниевых (2) импульсных диодов (Д) для устройств специального назначения, порядковый номер разра­ботки 523, разновидность прибора в данной группе Г.

Приборы, имеющие буквенный первый символ, могут работать при температурах до +60°С германиевые и до +85°С - кремние­вые. Германиевые приборы с цифровым первым символом обозна­чения могут работать при температуре до +70°С, кремниевые соот­ветственно до +120°С.

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