Полупроводниковые диоды и их характеристики

Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного перехода и имеет два вывода. Диоды подразделяются по функциональному назначению и используют различные свойства перехода. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в переходе.

Выпрямительные диоды

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Для них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадь перехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно , бывает достаточно низкоомной, а другая - высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.

Вольт-амперные характеристики реальных диодов и переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рис. 9). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в - переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения , в результате прямая ветвь диода идет ниже, чем в переходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеального перехода, т.к. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла .

Рис. 9. Условное обозначение диода (а); вольт-амперные характеристики (в):

1 - идеального перехода, 2 – реального диода

Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рис. 10).

Рис. 10. Вольт-амперные характеристики германиевого (1),

кремниевого (2) диодов

Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника и температуры.

Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рис.11).

Рис.11. Зависимость вида ВАХ диода от температуры

С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока . Прямое напряжение изменяется на 2.1 мВ при изменении температуры на 1ºС

.

Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше чем германиевых.

В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:

• во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 Вт;

• работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).

Однако, в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.

Основные параметры выпрямительных диодов:

максимально допустимое обратное напряжение диода - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;

средний выпрямленный ток диода - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;

импульсный прямой ток диода - пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;

средний обратный ток диода - среднее за период значение обратного тока;

среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;

средняя рассеиваемая мощность диода - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

дифференциальное сопротивление диода - отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

Полупроводниковые стабилитроны

Полупроводниковые стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя - перехода при включении диода в обратном направлении.

Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой пробой носит лавинный характер. Материалы, используемые для - перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в - переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в - переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме электрический пробой не переходит в тепловой.

Стабилитроны изготавливают из кремния, обеспечивающего получение необходимой вольт-амперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как пробой у них легко приобретает форму теплового, и характеристика в этом режиме имеет неустойчивый падающий участок.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рис.12.

Рис. 12. Условное обозначение (а);

вольт-амперная характеристика стабилитрона (b)

В точке, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50-100 мкА. После этой точки ток резко возрастает, и допустимая величина его ограничивается лишь мощностью рассеяния :

.

В современных стабилитронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока приводит к выходу стабилитрона из строя.

Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя - перехода, зависит от концентрации примесей в - структуре и лежит в пределах 4 - 200 В.

Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики

(от до ) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона:

.

Оно составляет несколько десятков и даже единиц Ом, причем меньшая величина соответствует стабилитронам, имеющим рабочее напряжение 7 - 15 В и большой рабочий ток.

Кроме, перечисленных выше, к параметрам стабилитрона относится температурный коэффициент напряжения , показывающий относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус:

.

Стабилитроны широкого применения обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом напряжения ( ≈ 10^-3 К^-1). Более высокой температурной стабильностью обладают прецизионные стабилитроны (рис. 13, a), в которых последовательно соединены три - перехода. Один из них - стабилизирующий - включен в обратном направлении, два других - термокомпенсирующих - включены в прямом направлении.

Рис.13. Структура прецизионного стабилитрона с термокомпенсирующими переходами (а); условное обозначение двуханодного диода (b)

При повышении температуры напряжение на стабилизирующем переходе растет, а на термокомпенсирующих переходах - уменьшается, поэтому результирующее напряжение на стабилитроне изменяется незначительно и температурный коэффициент получается около 10^-5 К^-1.

Для стабилизации двухполярных напряжений и для защиты электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей применяют двуханодные стабилитроны (рис 13, b), которые имеют симметричную вольт-амперную характеристику. Такие стабилитроны изготовляют путем введения примесей в пластину кремния одновременно с двух сторон. При этом образуются два p-n-перехода, включенных встречно. Для ограничения амплитуды импульсов напряжения разработаны импульсные, «быстрые» стабилитроны. При мгновенном изменении напряжения нарастание лавины в них происходит за очень короткий промежуток времени (порядка 10^-11 с). Это обстоятельство позволяет использовать импульсный стабилитрон в качестве инвертированного диода, в котором участок лавинного пробоя можно рассматривать как прямую ветвь вольт-амперной характеристики импульсного диода.

Разновидностью стабилитрона является стабистор — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Отличительной особенностью стабисторов, по сравнению со стабилитронами, является меньшее напряжение стабилизации, которое составляет примерно 0,7 В. Для увеличения напряжения стабилизации используют последовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или сформированных в одном кристалле. Для увеличения крутизны прямой ветви вольт-амперной характеристики базу стабистора делают низкоомной. Из-за малого сопротивления базы толщина - перехода оказывается очень небольшой, поэтому напряжение пробоя стабисторов не превышает нескольких вольт.