Полупроводниковые диоды широко применяются в устройствах радиоэлектроники, автоматике, вычислительной технике, силовой преобразовательной технике. Несмотря на широкую номенклатуру, выпускаемые диоды можно классифицировать по физическим эффектам и явлениям, определяющим механизм работы приборов, конструкционно-технологические особенности и др.
Классификация диодов по назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, материалу находит отражение в условных обозначениях диодов. В основу обозначений и маркировки диодов положен буквенно-цифровой код, отражающий информацию об исходном полупроводниковом материале, подклассе или группе приборов, назначении (параметры или принцип действия, порядковом номере разработки). Условные обозначения включают еще ряд буквенно-цифровых элементов, определяющих классификацию по параметрам диодов (ток, напряжение, быстродействие) и содержащих дополнительную информацию (корпус, размер, диаметр таблетки и т.д.).
По типу исходного материала: кремниевые, Ge, GaAs. Реже используется селен и карбид кремния. Большинство диодов изготовляют на основе кремния.
По конструкционно-технологическим признакам: плоскостные, точечные, микросплавные. Микросплавные и точечные предназначены для диапазона СВЧ и имеют ограниченный выпуск. Диоды изготовляют по диффузионной и сплавной технологии с применением операции эпитаксии и имплантации примесей. Сплавная технология имеет ограниченное применение.
Диоды как класс п/п приборов подразделяются на подклассы: выпрямительные, импульсные, СВЧ, стабилитроны, стабисторы, варикапы, параметрические диоды, Шоттки, туннельные и обращенные, Ганна, ЛПД, светоизлучающие, фотодиоды, магнитодиоды, тензодиоды, п/п лазеры и др.
Система параметров диодов включает большое число параметров. Параметры разделяют на предельные – максимально или минимально допустимые значения – и на рабочие, характеризующие параметры. Допустимые значения – значение, при котором ожидается удовлетворительная работа прибора, а предельные – за пределами которых прибор может быть поврежден или теряет свои качества (например, стабилитрон выходит из режима стабилизации)
Рабочие параметры – это значение электрической, тепловой, механической или другой величины, которые характеризуют определенные свойства прибора.
Допустимые значения параметров нельзя измерять. Они часто устанвливаются на основе разрушающих опытов или расчетов. Рабочие (характеризующие) параметры можно измерять непосредственно или косвенно.
Выпрямительные диоды. Они предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Частотные диапазон ограничен сверху – 500Гц-20кГц.
Параметры диода:
- максимально-допустимое постоянное обратное напряжение U 
- может быть приложено длительное время без опаски выхода из строя. Обычно
U 
0.5-0.8U 
.
- максимально допустимый постоянный прямой ток I 
- постоянное прямое напряжение U 
при I =I
- максимально допустимый постоянный обратный ток I при U
- верхняя частота.
По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы:
- малой мощности I 
0,3А
- средней 0,3A<I <10A
- мощные (силовые) I 
10A
Иногда в справочниках указывают I 
, I 
, I 
, т.е. средние выпрямленные токи или импульсный прямой ток.
В состав параметров входит температурный диапазон (-60 
+125 
С) и максимальная температура корпуса.
В настоящее время нормальными считаются прямые токи в 1600А и более, импульсные напряжения от 100 до 4000В. Лавинные выпрямительные диоды имеют предельные токи до 320А и периодические импульсные напряжения до1500В.
Тенденции развития – увеличение I , U 
U ограничиваются физическими возможностями.
Силовые п/п диоды отличаются по классификации и система обозначений. По нагрузочной способности в области пробоя силовые диоды делятся на выпрямительные, лавинные, лавинно-выпрямительные с контролируемым пробоем.
ВАХ выпрямительных диодов – типовая ВАХ диода при прямом и обратном включении. Эквивалентная схема выпрямительного диода не отличается от общепринятой (рис.1).
Габариты диода зависят от мощности. Например, для мощных диодов размер кристалла может быть больше 1 см 
в то время как у маломощных в сотни раз меньше.
Для построения блоков питания разработали диодные сборки, позволяющие осуществить различные типы выпрямления и др.
рис.1
ВД, выполненные по эпитаксиальной технологии, имеют малые U и высокое пробивное напряжение. малое U позволяет пропускать большие токи. Из-за большой площади перехода ВД имеют большую емкость перехода и низкие частотные свойства.
В качестве ВД используют также диоды Шоттки, у которых меньше, чем у ВД U и более высокие частотные свойства.
Импульсные диоды – имеют малую длительность переходного процесса и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малой емкостью р-n-перехода и рядом параметров, определяющих переходные характеристики. Уменьшение емкостей диода достигается за счет уменьшения площади перехода. Отсюда значительно меньше мощность (милливатты).
Эквивалентная схема ИД не отличается от схемы ВД. ВАХ также не отличается.
Основные параметры:
- емкость диода
- U
- I 
Специфические параметры:
- время установления прямого напряжения, т.е. время за которое устанавливается U от подачи импульса на вход. Это время зависит от скорости движения носителей в базе диода, пока не установится проводимость базы (инжекция и диффузия);
- время восстановления обратного сопротивления (по градиенту): скачек тока – носители устремляются в эмиттер, выброс равен положительному значению тока.
рис.2
U
t
I
I 
t 
0.1I I
t 
t 
При прямом включении (рис.3) скачек затеи спад, т.к. заряжается емкость
рис.3
U
t
U 
t
Диод Шоттки В быстродействующих импульсных целях широко используют диод Шоттки. В его основе лежит контакт металл-полупроводник. В принципе, металл-полупроводник дает два типа контактов – выпрямительные и омические.
Невыпрямляющий контакт: 
(рис.4). электроны из металла переходят в полупроводник, обогащая приконтактную область.
рис.4
Выпрямляющий контакт: 
, 
(рис.5). электроны уходят из полупроводника в металл, образуя обедненный слой
рис.5
В отличии от контакта p-n нет инжекции неосновных носителей. Не требуется время на рассасывание неосновных носителей.
ВАХ очень похожа на ВАХ обычного диода, но прямая ветвь более точно аппроксимируется экспонентой.
Конструктивно ДШ выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокая эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность нанесен вакуумным напылением слой металла.
ДШ также используют в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах (чистая exp). Условное обозначение ДШ на рис.6
рис.6
ДШ изготовляют также из GaAs n-типа для модуляции и снимания частот в диапазоне СВЧ. Силовые диоды выдерживают ток до 500 А (рис.6а см.ниже).
Стабилитрон. Их иногда называют опорными, т.к. они являются источниками «эталонного» напряжения. Условное обозначение на рис.7
рис.7
Основные параметры:
- напряжение стабилизации – указывается часто в обозначении (КС133)
- I 
- I 
- дифференциальное сопротивление
r 
.
Определяется на участке стабилизации из ВАХ (рис.8 см.ниже).
- температурный коэффициент (ТКН 
) 
(
составляет тысячные доли %)
Пробойные явления не связаны с инжекцией неосновных носителей через переход, не требуется время на их рассасывание. Поэтому задержка переключения при переходе от обратного включения на прямое практически отсутствует. Это позволяет использовать стабилитрон в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и ограничителей.
Для уменьшения ТКН последовательно со СТ включают дополнительный диод (рис.9).
рис.9
Д1 Д2
При таком включении прямая ветвь ВАХ диода Д2 заменяется на обратную ветвь диода Д1.
Такая схема получила название компенсированного стабилитрона, а из-за высокой точности – прецизионных стабилитронов (2С191, КС211, КС250 и др.). В них дополнительно нормируется временная нестабильность напряжения стабилизации и время выхода на режим стабилизации.
В прецизионных стабилитронах вместо балластного резистора R 
стабилизаторы тока.
Для получения двухполярного опорного напряжения применяют встречное включение двух стабилитронов (рис.10).
рис.10
Существуют готовые сборки таких стабилитронов (рис.11). это двуханодные стабилитроны (2С170А, 2С182А).
Существуют специальные разработки стабилитронов для ограничения очень коротких импульсов (2С175Е, КС182Е, 2С211Е). Они отличаются малой величиной емкости перехода
рис.11
Стабистор – это разновидность стабилитронов, предназначенных для стабилизации низких напряжений (до 1В) (рис.12)
рис.12
У них используется прямая ветвь ВАХ (рис.13)
рис.13
I, мА
4 60 
20
1 2 U,В
ТКНс отрицательный из-за уменьшения высоты потенциального барьера с температурой, и перераспределения носителей по энергиям – чем больше энергичных носителей, тем больше их может проникнуть через барьер (кинетическая энергия больше) и составляет 2 
(КС113).
Стабистор имеет малое напряжение стабилизации (порядка 0,7В). Увеличивают его путем последовательного соединения 2-3 стабисторов.
Стабистор используют для температурной стабилизации стабилитронов, включая их последовательно.
Отличия от выпрямительных диодов – низкоомный исходный п/п (кремний). Это дает уменьшенное сопротивление базы и, т.о, меньше дифференциальное сопротивление диода. Из-за прямого включения сопротивление базы сильно влияет на r 
.
Из-за малого удельного сопротивления получается тонкий p-n-переход с низкими пробивными напряжениями.
Нежелательно использовать в обратном включении.
Есть селеновые поликристаллические стабисторы, которые проще в изготовлении и, следовательно, дешевле, но у них меньше температура -25 ..+60.
Варикапы – п/п прибор, основанный на зависимости емкости электронно-дырочного перехода от напряжения. Отсюда его применение – управляемая емкость.
Эквивалентная схема изображена на рисунке 14.
рис.14
С 
L 
r 
r
Варикап работает при обратном смещении, т.к. С 
= 
. Для p-n-перехода l - ширина перехода и l=l 
, и т.о С= 
, при 
>> 
. В принципе показатель радикала может быть 2 или 3 в зависимости от типа перехода: 2 – для резких, 3 – для плавных.
Параметры:
- емкость варикапа
- коэффициент перекрытия по емкости К 
= 
от единицы до десятков единиц.
- сопротивление потерь – суммарное сопротивление всех элементов эквивалентной схемы - r 
- добротность – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте сигнала Х к сопротивлению потерь: Q 
- десятки-сотни единиц.
- температурный коэффициент: 
- 2 
.
Пример использования для перестройки колебательного контура (рис.15)
рис.15
-Е
С R1
L R
Д
U
C>>C 
R1 – для того, чтобы не влиять на добротность контура от цели питания, т.е.здесь подстройки контура.
рис.16
Q GeAs
С ,пФ Q 1800
50 10 
100 Si
10 
10
10 f,МГц
U 
,В 10 
10 
10 10 10 
10 
10 
Другие виды диодов
1. 
Туннельный диод. ВАХ изображена на рисунке 17
рис.17
I
I 
1 3
I 
2
U 
U 
U
Условное обозначение на рис.18
рис.18
На рис.17 участок 1-2 – отрицательное сопротивление. ТД используют для построения генераторов. Применение ограничено. Усилительные: ЗИ101, ЗИ104; переключательные: ЗИ106-ЗИ109; генераторные: ЗИ201-ЗИ203.
ТД работает на эффекте туннелирования потенциального барьера. Между слоями p и n очень тонкий обедненный слой. При напряжении 0.6-0.7В в переходе достигает очень больших значений (5-7) 
. Потенциальный барьер такого перехода выглядит примерно так, как показано на рис.19
рис.19
При этом через переход могут течь значительные токи, как в прямом, так и в обратном направлениях. Только при прямом смещении он растет до I 
, а потом падает до I 
. Снижение токов объясняется уменьшением электронов, способных пройти барьер туннелированием. При напряжении U их число становится равным нулю. Дальнейший рост объясняется обычным переходом электронов, преодолевших высоту барьера.
Из-за малой ширины перехода носители практически мгновенно преодолевают барьер. Поэтому ТД является практически безинерционным прибором.
Из-за разного механизма переноса заряда ТД имеет и разные схемы замещения. На особом участке ВАХ он характеризуется эквивалентной схемой (рис.20)
рис.20
С 
L r
G
Здесь L – индуктивность выводов; С - общая емкость диода в точке минимума ВАХ; G – отрицательная проводимость участка 1-2; r – общее активное сопротивление слоев диода. Пример построения генератора на ТД на рис.21
рис.21
R 
Если смещение Е , то первой точкой при включении питания будет точка А (рис.22). – активные потери, ограничение тока на уровне I 
и т.о. нет генерации.
Если Е , то рабочая точка попадает на участок отрицательного сопротивления. Возникает генерация колебаний. Частота этих колебаний зависит от реактивного сопротивления диода и равна 
.
Недостатками ТД являются малые рабочие напряжения и малые амплитуды колебаний (10-20мВ). Частота генераторов на ТД не превышает 1 ГГц и поэтому ТД не нашли широкого применения в технике.
рис.22
I
A
В С
U
Е Е
2. Фотодиоды. У фотодиодов p-n-переход открыт для светового излучения. Свет, падая на диод, приводит к появлению фотоносителей (генерируемых светом). Носители подхватываются полем и образуют фототок.
.
Т.о., растет обратный ток диода.
, 
S 
- интегральная чувствительная, Ф – световой поток.
ВАХ изображена на рис.23
рис.23
I
I 
U 
U
I 
I 
Из ВАХ следует, что если к диоду не прикладывать внешних напряжений (U=0), то по закороченной цепи диода будет течь ток I . Если диод не закорачивать, то при освещении на его зажимах образуется напряжение U 
. Т.е., в режиме холостого хода диод может выполнять роль источника ЭДС. Режим короткого замыкания реализовать трудно. Поэтому используется режим с подключением источника питания и нагрузки. Используется обратная ветвь ВАХ (рис.24а).
рис.24
а) б) в)
U E U 
U 
Uн
Ф=0 I 
E
Ф 
>0 ФД
Ф 
Ф 
Rн
Ф 
>Ф 
Е-Uг + Е -
ФД используются как приемники оптического измерения. Основные характеристики: интегральная чувствительность S ; темновой ток I 
; постоянная времени 
ФД применяются в диапазоне 0,4-2мкм. S зависит от площади перехода. Обычно S =10 
. I невелик и составляет 10 
мкА. Постоянная времени – время восстановления темнового тока 
. Обозначают так: ФД24К.
3. Светоизлучающие диоды (СИД). СИД преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации носителей (излучательная рекомбинация) из эмиттера в базу диода. Часть носителей рекомбинирует в p-n-переходе с излучением света. При прямом смещении перехода происходит инжекция носителей. Энергия излучаемых фотонов обычно имеет малый разброс, т.е. измерение имеет узкий диапазон длин волн. Спектральные характеристики излучения приведены на рис.25.
рис.25
I
Зелен. Красн. ИК
GaP GeAs
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 
,мкс
4. Обращенные диоды применяются как выпрямители в СВЧ диапазоне малых напряжений. При этом используется обратная ветвь (рис.26).
рис.26
Прямая ветвь напоминает обратную характеристику
5. Генераторы шума (2Г401). ВАХ как у стабилитронов. Пробой – дробовой шум. I 
выбирают меньше I 
. В этом случае возникает нестабильность параметров – флуктуации, - шум.
6. Магнитодиоды. ВАХ зависит от индукции магнитного поля и расположения вектора магнитной индукции относительно плоскости перехода. Используется прямая ветвь. Мугнитодиоды используются как датчики магнитного поля.
Обозначения: КД301В В=0; I=3мА; U=10B
B=0,4; I=3мА; U=32B
7. Диоды Ганна. Имеется участок отрицательного сопротивления на ВАХ как и у ТД. При создании электрического поля определенной напряженности возникают колебания электрического поля.
Частота колебаний определяется параметрами диода, а не параметрами внешней цепи (колебательный контур).
8. СВЧ-диоды. Предназначены для работы в том же диапазоне частот, что и ОД. В основном это точечные диоды без инжекции неосновных носителей через переход. Различают смесительные (2А101-2А109), детекторные (2А201-2А203), параметрические (1А401-1А408), переключательные и ограничительные (2А503-2А524), умножительные и настроечные (Э2А601-Э2А603), генераторные (3А703-3А705). Диапазон – сантиметровые волны. Имеют различные конструкции – коаксиальные и волновидные
Итак, введем обозначения диодов:
1. Буква – материал Г, К, А – широко потребляемые; цифра –материал 1, 2, 3 – приборы специального назначения;
2. Буква – подкласс диода Д – выпрямительные или универсальные, И – туннельный и обращенный, В – варикап, С – стабилитрон, А – СВЧ-диоды;
3. Цифра: 101-399 – выпрямительные, 401-499 – выпрямительные, 501-599 –импульсные. У стабилитронов первая цифра – класс мощности, вторая и третья – напряжение стабилизации, у всех остальных: 4 и 5 – порядковый номер разработки; 6 знак – буква – параметрическая группа по технологическому типу. У стабилитронов – последовательность разработки.
P-i-n-диоды
В технике СВЧ в устройствах управления уровнем используются переключательные диоды.
Принцип действия переключательного диода основан на большом различии полного сопротивления диода при прямом и обратном постоянном напряжении на диоде. По своей сути он подключает или отсекает СВЧ-цепь, следующую за диодом. Отсюда требования к переключательным диодам – с минимальными потерями пропускать СВЧ-мощность в состоянии пропускания и не пропускать в состоянии замирания, обладать большой допустимой мощностью рассеяния, большим пробивным напряжением, малой емкостью и большой скоростью переключения.
Для увеличения мощности рассеяния приходится увеличивать площадь перехода, что приводит к увеличению емкости перехода и снижению скорости переключения. Чтобы уменьшить емкость нужно увеличить 
,т.к. С 
. Это достигается путем введения между p- и n-слоями слоя i – собственной проводимости. Получается p-i-n-диод (рис.27)
рис.27
- p 
i n 
+
Иногда вместо i-слоя делают слой с малой концентрацией акцепторов (
-слой), концентрацией доноров (
-слой).
Особенность p-i-n-диодов в том, что, имея малую барьерную емкость, она мало зависит от напряжения, что положительно сказывается на точность передачи формы импульсов (частотные искажения).
Напряжение пробоя p-i-n-диодов достигает нескольких сотен вольт, что существенно выше, чем у обычных переключателей. Форма диода (корпус) зависит от области применения. Диоды допускают как последовательное, так и параллельное подключение нагрузки (линии передачи).
рис.6а
I I, А ДШ
0,5А ДШ обычный диод 100 обычный диод
0.1 0.2 0.3 0.4 В 1 U,В
малоточные ДШ сильноточные ДШ и выпрямит.
рис.8
+50 +20
-50
+50 +20 -50