Основные типы диодов

Выпрямительные диоды. Выпрямительные диоды — самые рас­пространенные полупроводниковые диоды, применяемые в выпрями­телях — устройствах, преобразующих переменный ток промышлен­ной частоты в постоянный. В выпрямительных диодах используются переходы с большой площадью для пропускания больших токов.Кремниевые выпрямительные диоды работают в диапазоне темпе­ратур от -60 до +125°С. Предельный электрический режим диодов характеризуется максимальным обратным напряжением U_{обр. max} и максимальным

прямым током I_выпр (или средним выпрямленным то­ком). Эти параметры являются классификационными.

 

Отечественной промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратным напряжением до нескольких тысяч вольт.

Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих

допу­стимые U_обр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока может применяться параллельное включение диодов.

Стабилитроны. Стабилитроны предназначены для использования в схемах, обеспечивающих стабилизацию напряжений.

Рабочим участком ВАХ стаби­литрона является участок в обла­сти электрического пробоя. ВАХ кремниевого стабилитрона пока­зана на рис.1.3. Максимальный ток I_max ограничивается лишь мощностью P_max, рассеиваемой переходом. Эта мощность приводится в справочных данных (I_max=P_max/U_ст, где U_ст - напряжение ста­билизации).

У современных стабилитронов величина максимального тока лежит в пределах от нескольких миллиампер до нескольких ам­пер. Превышение этой величины ведет к выходу диода из строя из-за теплового пробоя. Минимальный ток стабилизации у разных типов стабилитронов обычно составляет доли — единицы миллиампер. На­пряжение стабилизации t/_CT для серийных диодов находится в пре­делах от единиц до нескольких сотен вольт.

Основным классификационным параметром стабилитронов явля­ется напряжение стабилизации. В диапазоне рабочих токов задается также максимальнаяо величина дифференциального сопротивления диода (сопротивление прибора переменному току в рабочей точке). Обычно это сопротивление не превышает нескольких десятков Ом. Если стабилитрон используется в схеме прецизионного стабилизато­ра, то для него важным классификационным параметром является температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН= , который показывает, как меняется относительная величина напряжения стабилизации при изменении температуры на 1°С.

У выпускаемых прибо­ров ТКН не превышает ±0,1%/°С. Величина и знак ТКН зависят от напряжения стабилизации (рис.1.4):для на­пряжений меньших 5 В, соот­ветствующих узким переходам, в которых преобладает туннель­ный пробой, ТКН отрицателен; для напряжений больших 5 В, соответствующих широким переходам, в которых имеет место лавин­ный пробой, ТКН положителен.

Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к различным методам. Например, для стабилитронов с положительным ТКН используют последовательное подключение прямосмещенного n-p - перехода, у которого ТКН от­рицателен. Среднее значение ТКН такого прибора не превышает не­скольких тысячных

 

долей в широком диапазоне температур и на протяжении времени через него протекает прямой ток.

Варикапы. Зависимость емкости n-p -перехода от обратного на­пряжения используется в полупроводниковых диодах, называемых ва­рикапами. Для варикапов характерна малая инерционность процесса изменения емкости. Они используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоматической подстройки частоты, в пара­метрических усилителях и других устройствах. Благодаря малому об­ратному току потери в переходе несущественны, поэтому добротность емкости варикапа оказыва­ется высокой. Добротность оце­нивается отношением реактивно­го сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь диода на заданной частоте и за­висит от частоты. Основной ха­рактеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика (рис. 1.5).

Важнейшим парамет­ром варикапа является коэффи­циент перекрытия по емкости

Кс = C_в1/ С_в2, где С_в1 и С_в2 — ем­кости варикапа при заданных зна­чениях обратного напряжения U_обр1 и U_обр2 .Вольт-фарадная характеристика варикапа нелинейна. Для ряда современных варикапов коэффициент перекрытия по емкости может достигать десятков единиц при изменении обрат­ного напряжения от десятых долей вольта до десяти — двадцати вольт.

Основными классификационными параметрами варикапов явля­ются:

емкость С_в.н при номинальном обратном напряжении U_обр.н, коэффициент перекрытия по емкости, минимальная добротность на заданной частоте и максимально допустимое обратное напряжение.

Высокочастотные диоды. Рассмотренные ранее выпрямительные диоды, как правило, применяются в схемах, в которых частота подво­димого к диоду напряжения не превышает нескольких килогерц. Са­мые современные выпрямительные диоды с барьером Шотки работа­ют на частотах порядка сотен килогерц — единиц мегагерц. Однако в целом ряде устройств требуются полупроводниковые диоды, рабочая частота которых должна достигать единиц и даже десятков гигагерц. Такие диоды называются высокочастотными.

В высокочастотных диодах часто используют точечную конструкцию, в которой n-p-переход образован контактом металлической иг­лы с полупроводниковым кристаллом.. Площадь контакта — менее 50 мкм², поэтому емкость перехода мала. Для точечных диодов характерны меньшие допустимые величины обратных напряжений, чем у ранее рассмотренных диодов. Особенностями ВАХ диода точечной конст­рукции являются отсутствие ярко выраженного горизонтального уча­стка на обратной ветви и плавный переход в режим пробоя. Основны­ми классификационными параметрами являются прямой ток при за­данном напряжении, как правило, равном

1 В, и допустимое обратное напряжение. Предельные электрические параметры — это макси­мальный прямой ток через диод I_пр.max и максимальное обратное на­пряжение U_обр..max.

Переключающие диоды. В ряде электронных схем полупроводни­ковый диод должен работать в режиме переключения, т.е. в одни пе­риоды времени он оказывается смещенным в прямом направлении, а в другие — в обратном. В первом случае сопротивление диода мало, во втором — велико. В идеальном случае переключение из одного со­стояния в другое должно происходить мгновенно. Реально время пе­рехода из одного состояния в другое имеет определенную величину.

Рассмотрим причины, ограничивающие быстродействие переклю­чающих диодов. Пусть в схеме (рис. 1.6а) входное напряжение имеет прямоугольную форму (рис.1.6б).При U_вх=U₁ >0 диод открывается, и на протяжении временя t₀ через него протекает прямой ток

i_пр= (рис. 1.6в). При этом в базе накапливается заряд инжекти­рованных в нее неосновных носителей. Когда входное напряжение скачком изменяется от U₁ до U₂, сопротивление диода вначале оказы­вается небольшим, поскольку в базе существует заряд. При этом об­ратный ток имеет величину, равную

i_{обр. max}= .

С течением времени накопленный заряд уменьшается за счет протекания обратного тока и рекомбинации носителей. При этом уве­личивается обратное сопротивление, а обратный ток уменьшается до установившегося значения I_обр.

Быстродействие переключающих диодов характеризуется време­нем t_y установления прямого напряжения на диоде, которое зависит от скорости диффузии инжектированных в базу неосновных носите­лей, и временем t_B восстановления обратного сопротивления. За вре­мя восстановления принимается время, прошедшее с момента подачи на диод обратного напряжения (смены полярности входного напря­жения), до момента времени, когда обратный ток достигает опреде­ленного заданного значения. В качестве заданного в некоторых слу­чаях берут значение обратного тока, равное 0,1 i_np, а в некоторых - 0,1 i_{обр. max} •

Характер изменения обратного тока во времени показан на рис.1.6в. Время восстановления можно разбить на два интервала — t₁ и t₂. В интервале t₁ обратный ток почти не уменьшается, так как концентра­ция неосновных носителей заряда на границе перехода остается не­равновесной. В конце интервала времени t₁ концентрация на границе становится равновесной, и начинается быстрое уменьшение обратно­го тока и рост обратного сопротивления диода.

Основными классификационными параметрами переключающих диодов являются: максимальное прямое импульсное сопротивление R_имп.max , равное отношению максимального импульсного прямого на­пряжения на диоде к импульсному прямому току I_пр.имп , время вос­становления обратного сопротивления и емкость при заданном обрат­ном напряжении. У современных переключающих диодов t_B составля­ет 10 + 100 нс и менее.

 

 

Диоды Шотки. В диодах этого типа используется контакт Шотки (контакт металл-полупроводник). Инжекция неосновных носителей в базу отсутствует, так как прямой ток образуется электронами, движущимися из кремния в металл. На­копление заряда в базе диода не происходит, и поэтому время пере­ключения диода может быть существенно уменьшено (до значений порядка 100 пс).

Другой важной особенностью диодов Шотки является меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением обычного n-p -перехода при тех же токах. Это объясняется тем, что тепловой ток I₀, у перехода с барьером Шотки примерно на три порядка превышает ток n-p -перехода. Причиной этого является движение электронов в металл из полупроводника, происходящее с тепловой скоростью, существенно превышающей диффузионную. Диоды Шотки используются в комбинации с транзисторами для работы в переключающих схемах. Мощные диоды Шотки с прямыми токами до десятков ампер и обрат­ными напряжениями до сотен вольт применяются в выпрямителях переменного тока.

Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым p-n- переходом. Световой поток, падающий на открытый p-n- переход приводит к появлению в одной из областей дополнительных не основных носителей зарядов, в результате чего увели­чивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой

(1.3)

где — фототок, — интегральная чувствительность, Ф — световой поток. Вольт-амперные характеристики ФД приведены на рис. 1.7 а, а его схематическое изображение — на рис.1.7 б

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2)холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде равен фототоку, т. е.

Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6-7 порядков. В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого

хода , как отмечено на рис. 1.7 а, лежит на горизонтальной оси. Для определе­ния

 

 

этого напряжения можно прологарифмировать выражение (1.3), откуда на­ходим

 

. (1.4)

Таким образом, при I=0 область Р заряжается положительно, а область N — отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется раз­ность потенциалов, называемая фото-эдс. Фото-эдс равна напряжению и не может превышать контактной разности потенциалов . ( Для кремниевых фотодиодов напряжение <0.7 В).

Схема включения фотодиода на нагрузку при­ведена на рис. 1.8 а, а нагрузочная характеристика — на рис. 1.8 6. Для построения нагрузочной прямойна горизонтальной оси нужно отложить напряжение источника Е, а на вертикальной оси — ток короткого замыкания . Прямая, соединяющая эти точки, и являет­ся нагрузочной прямой. Пересечение нагрузочной прямой с вольт-амперными характеристиками фотодиода позволяет определить напряжение на нагрузке . Для этого нужно из точек пересечения восстановить перпендикуляры до пересечения с горизонтальной осью. Эти точки пересечения и дают значение напряжения на нагрузке.

Из приведенного на рис. 1.8 6 построения следует, что при отсутствии осве­щения напряжение на фотодиоде будет максимальным U_темн. При увеличении осве­щения ток в фотодиоде возрастает, а напряжение на нем падает. Напряжение на нагрузке

определяется как разность напряжения источника питания и напряжения на фотодиоде

.

График зависимости приведен на рис. 1.8 в.

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения. Ос­новными характеристиками фотодиодов являются: диапазон длин волн принима­емого излучения, интегральная чувствительность S_i,темновой ток I_т,постоянная времени . Большинство фотодиодов работает в широком диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения = 0,4...2мкм. Интегральная чув­ствительность зависит от площади p-n -перехода и может изменяться в пределах 10^-3... 1 мкА/люкс.

 

Темновой ток обычно невелик и имеет значение 10²... 1мкА.

В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним и интегрированным вместе с фотоприемником.

Светоизлучающие диоды (СИД) преобразуют электрическую энергию в свето­вое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, т. е. без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной. В СИД преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять материал, из которого изготовлен светодиод, или изменять ток. На рис. 1.9. а показано схематическое изображение светодиода, а на рис. 1.9 б приведены спектральные характеристи­ки излучения.

 

Для изготовления светодиодов наиболее часто используют фосфид галлия или арсенид галлия. Для диодов видимого излучения часто используют фосфид-арсенид галлия. Из отдельных светодиодов собирают блоки и матрицы, которые по­зволяют высвечивать изображения букв и цифр.

Инжекционный лазер — это диод с монохроматическим излучением. Когерен­тное монохроматическое излучение обеспечивается стимулированной фотонной рекомбинацией, которая возникает при инжекции носителей заряда при опреде­ленном токе. Минимальный ток, при котором преобладает стимулированная фотонная рекомбинация, называется пороговым. При увеличении тока выше по­рогового значения происходит ухудшение монохроматического излучения.

 

Контрольные вопросы.

1. Нарисуйте ВАХ полупроводникового диода.

2. Расскажите о влиянии температуры на ВАХ диода.

3. Какими параметрами характеризуются выпрямительные диоды?

4. Нарисуйте ВАХ стабилитрона. Расскажите о его основных параметрах.

5. Нарисуйте вольт-фарадную характеристику варикапа, расскажите о его основ­ных параметрах.

 

 

6. Какими параметрами характеризуются переключающие диоды?

7. Почему диоды Шотки обладают малым временем переключения?

8. Как построить нагрузочную характеристику для фотодиода?

9. Где применяют светоизлучающие диоды?