Электроника и схемотехника

Лекция №2.

Полупроводниковые диоды.

1. Полупроводниковые диоды. Классификация.

2. Выпрямительные диоды. Особенности, основные параметры, область применения.

3. Специальные диоды.

1. Полупроводниковые диоды. Классификация.

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) p-n -переходов.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные.

Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n - переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

В большинстве случаев полупроводниковые диоды с р-n-переходами делают несимметричными, т. е. концентрация примесей в одной из областей значительно больше, чем в другой. Поэтому количество неосновных носителей, инжектируемых из сильно легированной (низкоомной) области в слабо легированную (высокоомную) область диода, называемую базой, значительно больше, чем в противоположном направлении.

Классификация диодов производится по различным признакам:

-выпрямительные, -импульсные, -стабилитроны, -варикапы и др.;

по технологии изготовления электронно-дырочного перехода:

-сплавные, -диффузионные и др.;

по типу электронно-дырочного перехода:

-точечные, -плоскостные.

Основными классификационными признаками являются тип электрического перехода и назначение диода.

2. Выпрямительные диоды.

Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямительные диоды, кроме применения в источниках питания для выпрямления переменного

тока в постоянный, также используются в цепях управления и коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряжению, а также имеют меньший обратный ток.

В настоящее время на практике преимущественно применяется система так называемых предельных параметров, основными из которых являются:

1.Максимально допустимый средний прямой ток Iпр ср max . Это максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через прибор.

2.Максимально допустимый ток перегрузки I прг max. Это ток диода, длительное протекание которого вызвало бы превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, но ограниченный по времени так, что превышение этой температуры не происходит.

3.Максимально допустимый ударный ток Iпр уд max. Это максимально допустимая амплитуда одиночного импульса тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданных условиях работы прибора, что соответствует половине периода тока частотой 50 Гц.

4.Максимально допустимое импульсное повторяющееся напряжение Uобр.и.п.max. Это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к диоду

вобратном направлении. Повторяющееся напряжение характеризуется классом прибора, указывающим его в сотнях вольт и дающимся в паспортных данных.

5.Неповторяющееся импульсное обратное напряжение Uобр и н max – максимальное допустимое мгновенное значение любого неповторяющегося напряжения, прикладываемого к диоду в обратном направлении.

6.Максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр max – напряжение, соответствующее началу процесса лавинообразования в приборе (напряжение пробоя). Большинство указанных параметров обычно приводится в техническом паспорте на прибор, а более подробно информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах – в технических условиях на прибор.

В справочных таблицах по выпрямительным диодам применены следующие условные обозначения:

Uобр.макс. - максимально-допустимое постоянное обратное напряжение диода; Uобр.и.макс. - максимально-допустимое импульсное обратное напряжение диода; Iпр.макс. - максимальный средний прямой ток за период;

Iпр.и.макс. - максимальный импульсный прямой ток за период; Iпрг. - ток перегрузки выпрямительного диода;

fмакс. - максимально-допустимая частота переключения диода; fраб. - рабочая частота переключения диода;

Uпр при Iпр - постоянное прямое напряжения диода при токе Iпр; Iобр. - постоянный обратный ток диода;

Тк.макс. - максимально-допустимая температура корпуса диода. Тп.макс. - максимально-допустимая температура перехода диода.

В зависимости от значения максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды подразделяют на:

-диоды малой мощности (прямой ток до 0,3 А);

-диоды средней мощности (прямой ток от 3 до 10 А);

-диоды большой мощности (прямой ток более 10 А).

При производстве первых выпрямительных плоскостных диодов в качестве исходного полупроводникового материала использовали германий, технология получения и очистки монокристаллов которого была уже освоена. Значительно позже было налажено производство кремниевых выпрямительных плоскостных диодов. В связи с существенными преимуществами кремниевых выпрямительных плоскостных диодов они практически целиком вытеснили германиевые выпрямительные плоскостные диоды из массового производства. После этого был налажен выпуск выпрямительных плоскостных диодов из арсенида галлия.

2.1. Кремниевые диоды.

Наибольшую информацию об электрических свойствах выпрямительных диодов можно получить из ВАХ. Вольт-амперные характеристики одного из выпрямительных кремниевых плоскостных диодов при разных температурах окружающей среды приведены ниже.

Максимально допустимые прямые токи кремниевых плоскостных диодов различных типов составляют 0,1... 1600 А. Падение напряжения на диодах при этих токах не превышает обычно 1,5 В. С увеличением температуры прямое напряжение уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера p-n - перехода и с перераспределением носителей заряда по энергиям. Обратная ветвь ВАХ кремниевых диодов не имеет участка насыщения обратного тока, так как обратный ток в кремниевых диодах вызван процессом генерации носителей заряда в p-n - переходе. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры увеличивается.

Германиевые диоды

ВАХ одного из германиевых плоскостных диодов при разных температурах окружающей среды приведены ниже. Основные отличия ВАХ и параметров германиевых и кремниевых выпрямительных плоскостных диодов заключаются в следующем:

-Прямое напряжение на германиевом диоде при максимально допустимом прямом токе приблизительно в два раза меньше, чем на кремниевом диоде. Это вызвано меньшей высотой потенциального барьера германиевого p-n - перехода является существенным, но, к сожалению, единственным преиму-

ВАХ германиевого ществом перед кремниевыми выпрямительными диодами.

диода

-Существование тока насыщения при обратном включении германиевого диода, что вызвано механизмом образования обратного тока - процессом экстракции неосновных носителей заряда из прилегающих к p-n -переходу областей.

-Значительно большая плотность обратного тока в германиевых диодах, так как при прочих равных условиях концентрация неосновных носителей заряда в германии больше на несколько порядков, чем в кремнии.

-Большие обратные токи через германиевые диоды, в результате чего пробой германиевых диодов имеет тепловой характер. Поэтому пробивное напряжение германиевых диодов уменьшается с увеличением температуры, а значения этого напряжения меньше пробивных напряжений кремниевых диодов.

-Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет приблизительно 75°С, что значительно ниже по сравнению с тем же параметром кремниевых диодов.

Существенной особенностью германиевых диодов и их недостатком является то, что они плохо выдерживают даже очень кратковременные импульсные перегрузки при обратном направлении для p-n – перехода. Определяется это механизмом пробоя германиевых диодов - тепловым пробоем, происходящим с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.

Арсенид-галлиевые диоды

Все перечисленные особенности германиевых и кремниевых выпрямительных диодов в итоге связаны с различием ширины запрещенной зоны исходных полупроводниковых материалов. Из приведенного сопоставления видно, что выпрямительные диоды, изготовленные из полупроводникового материала с большой шириной запрещенной зоны, обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. Одним из таких материалов является арсенид галлия, ширина запрещенной зоны которого при комнатной температуре W = 1,43 эВ.

Максимально допустимое обратное напряжение диодов - всего 50 В. Низкое значение пробивного напряжения и соответственно максимально допустимого обратного напряжения вызвано большой концентрацией дефектов в области p-n -перехода.

Так, арсенид-галлиевые диоды рассчитаны на максимально допустимый прямой ток 300 мА при прямом напряжении не более 3 В. Прямое напряжение велико, что является недостатком вообще всех выпрямительных диодов, p-n -переходы которых сформированы в материале с большой шириной запрещенной зоны. Максимально допустимое обратное напряжение диодов этой марки - всего 50 В. Низкое значение пробивного напряжения и соответственно максимально допустимого обратного напряжения вызвано большой концентрацией дефектов в области p-n -перехода.

Положительными особенностями арсенид-галлиевых выпрямительных диодов являются значительно больший диапазон рабочих температур и лучшие частотные свойства. Верхний предел диапазона рабочих температур арсенид-галлиевых диодов АД112А составляет 250°С. Арсенид-галлиевые диоды могут работать в качестве выпрямителей малой мощности до частоты 1 МГц, что обеспечивается малым временем жизни носителей заряда в этом материале. Таким образом, арсенид-галлиевые выпрямительные диоды по своим частотным свойствам выходят за пределы низкочастотного диапазона.

Эквивалентная схема замещения при прямом и обратном включении диода.

Эквивалентная схема замещения при прямом и обратном включении диода

Для прямой и обратной ветвей ВАХ эти модели различны. На рисунке выше показана прямая и обратная ветви ВАХ диода (линия 1) и аппроксимирующие эти ветви отрезки прямой 2. Уравнение