Глава 10. Полупроводниковые диоды

Прибор, содержащий в своей структуре один выпрямляющий электрический переход, называется диодом. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи представляет собой нелинейный двухполюсник, т.е. электронный прибор с двумя внешними выводами и нелинейной вольт- амперной характеристикой. Диод может быть получен на основе n-p перехода или перехода металл-полупроводник.

В диоде с электронно-дырочным переходом кроме выпрямляющего электрического перехода должно быть два невыпрямляющих перехода, через которые р- и n-области диода соединены с выводами (рис. 10.1, а). В диоде с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта металл − полупроводник всего один омический переход (рис. 10.1, б).

Рис. 10.1. Структура (а - б) и внешний вид (в–д) полупроводниковых диодов: а − с электронно-дырочным переходом; б − с выпрямляющим контактом металл − полупроводник (В − выпрямляющие контакты,

Н − невыпрямляющие контакты)

Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Поэтому при прямом включении диода количество неосновных носителей, инжектированных из сильнолегированной области в слаболегированную область, значительно больше, чем количество неосновных носителей, проходящих в противоположном направлении. Область полупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных для этой области носителей, называют базой диода.

178

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая из двух величин: диффузионной длины неосновных носителей в базе и толщины базы.

Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно больше характеристической длины.

Точечным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньше характеристической длины.

По функциональным параметрам полупроводниковые диоды делятся на следующие группы: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, туннельные диоды, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

10.1. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Вольт-амперные характеристики

германиевого и кремниевого диодов для различных температур приведены на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов: а) – кремниевый диод, б) – германиевый диод

Основными эксплуатационными параметрами таких диодов являются:

∙максимальный прямой ток,

∙обратный ток при заданном обратном напряжении,

∙максимальное обратное напряжение,

179

∙граничная частота работы диода,

∙максимальная допустимая мощность, рассеиваемая диодом.

Промышленность выпускает в основном кремниевые диоды, имеющие

большую площадь перехода и допускающие большие значения выпрямленного тока. Кремниевые плоскостные диоды получают путем

вплавления алюминиевого электрода в кристалл кремния с электронной проводимостью или методом диффузии. На противоположную поверхность кристалла кремния наносится слой золота, образующий омический контакт.

В кремниевых выпрямительных диодах обратные токи на несколько порядков меньше, а допустимые обратные напряжения существенно выше, чем в германиевых. Наибольшие значения максимального обратного напряжения могут быть получены в р-i-n структурах.

Высокое значение прямого тока достигается увеличением площади перехода, но при этом растут диффузионная и зарядная емкости и уменьшается граничная частота. Граничная частота силовых выпрямительных диодов находится на уровне 50 кГц.

Силовые выпрямительные диоды, как правило, работают в блоках, обеспечивающих энергопитание электротехнических устройств, поэтому они

должны быть мощными и их конструкция должна предусматривать хороший теплоотвод.

Рис. 10.3. Примеры конструкций диодов с различным тепловым сопротивлением: 1, 2 − малой мощности, RТ = (100−200) °/Вт, 3 − средней мощности, RТ = 1−10 °/Вт

При повышении температуры n-р перехода уменьшаются прямое и обратное сопротивления диода. У германиевых диодов предельная рабочая температура обычно не более +70°С, а у кремниевых диодов не более +150°С. С целью уменьшения разогрева мощных диодов прямым током

180

принимают специальные меры, способствующие их охлаждению: монтаж на радиаторах (теплоотводах), обдув и т. д.

Для характеристики воздействия температуры на работу диода вводят специальный параметр – тепловое сопротивление. Тепловое сопротивление полупроводниковых приборов характеризует, как выделяющаяся в полупроводниковом приборе мощность влияет на его разогрев:

T P

где Tп − температура перехода, Тос − температура окружающей среды Величина Rт зависит от конструкции прибора, в частности способа

крепления кристалла, конструкции корпуса. Чем более массивный кристаллодержатель и сам корпус, тем меньше тепловое сопротивление прибора. На рис. 10.3 в качестве примера приведены конструкции некоторых корпусов с указанием их теплового сопротивления.

10.2. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды

Высокочастотные диоды предназначены для работы в различных схемах преобразования электрических сигналов в диапазоне частот до нескольких сотен мегагерц, а сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды до сотен гигагерц.

Поскольку диоды этой группы должны обладать малой площадью перехода и коротким временем восстановления обратного сопротивления, они чаще всего бывают точечными. Проще всего изготовить точечный диод на основе кристалла полупроводника, в который упирается тонкая металлическая игла. Точечный контакт получают путем специальной формовки. Через диод пропускается несколько сравнительно мощных, но коротких импульсов прямого тока. При этом возникает сильный местный нагрев контакта и происходит сплавление кончика иглы с полупроводником (рис. 10.4, а).

а) б)

Рис. 10.4. Конструкция (а) и вольт-амперные характеристики (б)

высокочастотного диода

181