Діод - це електропреобразовательних напівпровідниковий прилад (ПП) з одним електричним переходом і двома виводами (рис. 3.1). База Б і емітер Е за допомогою базового БЕ і емітерного ЕЕ електродів, що забезпечують омические контакти з n- і p-областями, з'єднуються з металевими висновками В, за допомогою яких діод включається в зовнішній ланцюг.
Принцип роботи більшості діодів заснований на використанні фізичних явищ в електричному переході, таких, як асиметрія вольт-амперної характеристики, пробій електронно-діркового переходу, залежність бар'єрної ємності від напруги і т.д.
в залежності від призначення:
ü імпульсні та ін .;
по застосовуваних вихідних матеріалів:
ü з арсеніду галію;
за технологією виготовлення:
ü СВЧ-діоди (надвисокочастотні діоди);
Площинним називають р-n-перехід, лінійні розміри якого, що визначають його площа, значно більше товщини. До точкових відносять переходи, розміри яких, що визначають їх площа, менше товщини області об'ємного заряду.
Площинні діоди малої і середньої потужності виконуються зазвичай з сплавним p-n-переходом. Сплавний р-n-перехід в германієвих діодах (рис. 3.2) виходить шляхом вплавлення таблетки примесного акцепторного елементу (індію) в кристал германію n-типу. При цьому розплавлений індій частково дифундує в германій, надаючи прилеглої області кристала германію дірковий провідність. Область з доречнийпровідністю (р-типу) має дуже низький питомий опір і є емітером по відношенню до більш високоомного кристалу напівпровідника n-типу - базі діода. Пристрій германієвого площинного діода показано на рис. 3.2. Кремнієві площинні діоди виходять шляхом вплавлення алюмінію в кристал кремнію. Кремнієві і германієві діоди оформляються в металевому звареному корпусі зі скляними ізоляторами і гнучкими висновками.
У потужних площинних діодах p-n-перехід частіше виконується шляхом дифузії з газової фази атомів домішки в кристал напівпровідника. При дифузійному методі забезпечується краща відтворюваність параметрів діодів. Потужні діоди часто виконуються з охолоджуючими радіаторами.
У точкових діодах (рис. 3.2, б), що випрямляє p-n-перехід утворюється між металевим вістрям контактної пружини (діаметром 10. 20 мкм) і кристалом напівпровідника зазвичай n-типу. Перехід створюється за рахунок пропускання коротких і потужних імпульсів прямого струму через діод. При цьому вістря контактної пружини сплавляється з кристалом, і поблизу місця сплаву за рахунок дифузії розплавленого металу вістря в кристал виходить область напівпровідника p-типу. Точкові діоди внаслідок малої площі p-n-переходу випускаються на малі струми.
Теоретичні вольт-амперні характеристики n-p-переходу і напівпровідникового діода (рис.3.3) дещо відрізняються. В області прямих струмів це пояснюється тим, що частина зовнішньої напруги, прикладеного до висновків діода, падає на об'ємному омічному опорі бази (rб), яке визначається її геометричними розмірами і питомим опором вихідного матеріалу. Його величина може лежати в межах від одиниць до декількох десятків ом. Падіння напруги на опорі rб стає істотним при токах, що перевищують одиниці міліампер. Крім того, частина напруги падає на опорі висновків. В результаті, напруга безпосередньо на n-р-переході буде менше напруги, прикладеного до зовнішніх висновків діода. Реальна характеристика йде нижче теоретичної і стає майже лінійної. Реальна ВАХ в області прямих напруг описується виразом:
Звідси напруга, прикладена до діода, так само:
Необхідно зауважити, що опір бази (rб) залежить від величини прямого струму діода, тому вольт-амперна характеристика і в області великих струмів є нелінійної функцією.
При збільшенні зворотної напруги струм діода не залишається постійним і рівним току I0. Однією з причин збільшення струму є термічна генерація носіїв заряду в переході, не врахована при виведенні виразу для теоретичної ВАХ. Складова зворотного струму через перехід, залежить від кількості генеруються в переході носіїв, називається струмом термогенерации (Iтг). З ростом зворотної напруги перехід розширюється, кількість генеруються в ньому носіїв зростає і струм Iтг також збільшується.
Іншою причиною збільшення зворотного струму є кінцева величина провідності поверхні кристала, з якого виготовлений діод. Цей струм називається струмом витоку (Iу). В сучасних діодах він завжди менше термотока. Таким чином, зворотний струм в діоді, що позначається Iобр. визначається як сума струмів:
Кожен тип діодів характеризується параметрами - величинами, визначальними основні властивості приладів, а також має відмінні від інших вольт-амперні характеристики. Розрізняють параметри, якими характеризується будь-напівпровідниковий діод, і спеціальні, притаманні лише окремим диодам.
Напівпровідникові діоди мають наступні основні параметри:
· Постійний зворотний струм діода (Iобр) - значення постійного струму, що протікає через діод у зворотному напрямку при заданому зворотному напрузі;
· Постійне зворотне напруга діода (Uобр) - значення постійної напруги, прикладеної до діода в зворотному напрямку;
· Постійний прямий струм діода (Іпр) - значення постійного струму, що протікає через діод в прямому напрямку;
· Постійне пряме напруга діода (Uпр) - значення постійної напруги на діоді при заданому постійному прямому струмі;
Граничний режим роботи діодів характеризують максимально допустимі параметри - параметри, які забезпечують задану надійність і значення яких не повинні перевищуватися при будь-яких умовах експлуатації:
· Максимально допустима розсіює потужність (Рmах);
· Максимально допустимий постійний прямий струм (Iпр.mах), значення якого обмежується розігрівом р-n-переходу;
· Максимально допустимий постійне зворотне напруга (Uобр.mах);
· Диференційний опір (rдіф);
· Мінімальна (Кмин) і максимальна (Тmах) температури навколишнього середовища для роботи діода.
Допустима потужність розсіювання (Рmах) визначається тепловим опором діода (Rт), допустимою температурою переходу (Тпmах) і температурою навколишнього середовища (Те) відповідно до співвідношення:
Максимально допустимий прямий струм можна визначити по заданій, максимально допустимої потужності:
Зворотне максимально допустима напруга (Uобр.mах) для різних типів діодів може набувати значень від декількох одиниць до десятків тисяч вольт. Воно обмежується пробивним напругою:
Диференціальний опір (rдіф) дорівнює відношенню приросту напруги на діоді до викликав його малому приросту струму через діод:
Опір rдіф залежить від режиму роботи діода.
Мінімальна температура навколишнього середовища (Кмин), при якій можуть експлуатуватися напівпровідникові діоди, зазвичай дорівнює -60 ° С. При більш низьких температурах погіршуються електричні і механічні властивості напівпровідникових кристалів і елементів конструкцій діодів.
Для германієвих діодів максимальна температура Тмакс = +70 ° С. Для крем'яних вона може досягати +150 ° С. При більш високих температурах відбувається виродження напівпровідника: концентрації основних і неосновних носіїв стають однаковими, перехід перестає мати властивості односторонньої провідності
Позначення діодів складається з шести символів:
· Перший символ (буква або цифра) позначає матеріал діода (цифрою позначаються діоди, здатні витримувати більш високу температуру):
Г або 1 - германій;
До або 2 - кремній;
А чи 3 - з'єднання галію;
· Другий символ (буква) вказує підклас приладів:
Ц - випрямляючі стовпи і блоки;
· Третій символ (цифра) позначає класифікаційний номер, за яким розрізняють діоди всередині даного типу (наприклад: 1 - малої потужності, 2 - середньої потужності, 3 - великої потужності, 4 - універсальні і т.д).
· Четвертий і п'ятий символи (цифри) позначають порядковий номер розробки (від 1 до 99).
· Шостий символ (буква), вказує відмінність по параметрам, які не є класифікаційними.
Для напівпровідникових діодів з малими розмірами корпусу використовується кольорове маркування у вигляді міток, що наносяться на корпус приладу.
Випрямні діоди. Випрямним напівпровідникових діодом
(Рис. 3.4) називається полупро-Водніково діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний. Це площинні діоди з відносно великою площею p-n-переходу.
Випрямні діоди до-виконавчими характеризуються електричними величинами, визна-рами їх роботу в випрямлячах:
· Середнім за період значенням зворотної напруги (Uобр.ср);
· Середнім за період значенням зворотного струму (Iобр.ср);
· Максимальним значенням випрямлення-го струму (Iвп.ср.max);
· Середньому за період значенням прямого напруги (Uпр.ср) при заданому середньому значенні прямого струму.
Робоча частота випрямних діодів: малої та середньої потужності від 5 до 50 Гц, великої потужності від 50 до 500 Гц.
Вольт-амперна характеристика випрямного діода (рис. 3.5) описується рівнянням:
де I0 - теплової зворотний струм; # 966; т - температурний потенціал, при кімнатній температурі 25 ° С.
Імпульсні діоди. Імпульсний напівпровідниковий діод - це діод має малу тривалість перехідних процесів і призначений для роботи в імпульсному режимі.
Основне прімененіеімпульсних діодів - робота в якості комутуючих елементів в цифрових схемах, крім того, для детектування високочастотних сигналів і в високочастотної перетворювальної техніки.
При перемиканні діода з прямого напруги на зворотне, в початковий момент через діод тече некерований зворотний струм (рис. 3.6). Цей зворотний струм обмежений тільки об'ємним опором бази діода і опором навантаження (RH). З плином часу, накопичені в базі неосновні носії зарядів рекомбінують або йдуть з бази через р-n-перехід, після чого зворотний струм зменшується до нормального значення.
Перехідний процес, протягом якого зворотне опір діода відновлюється до постійного значення після швидкого перемикання з прямого напруги на зворотне, називається відновленням зворотного опору діода. Одним з основних параметрів імпульсного діода є час відновлення зворотного опору (tв). За його значенням імпульсні діоди діляться на 6 груп:
2) 150 Стабілітрони. Напівпровідниковий стабілітрон (рис.3.7) - це напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою при зворотному зміщенні слабо залежить від струму в заданому його діапазоні та який призначений для стабілізації напруги. У стабілітронах, використовується лавинний або тунельний пробій, отже, використовуваний матеріал найчастіше кремній. Ділянка 1 вольт-амперної характеристики стабілітрона (рис. 3.8) відповідає нестійкого лавинному або тунельному пробою. Основні параметри стабілітрона: 1) напруга стабілізації; 2) температурний коефіцієнт напруги стабілізації; 3) мінімальний струм; 4) максимальний струм; 5) диференціальне опір; 6) статичний опір. Напруга стабілізації - це значення напруги на стабілітроні при проходженні заданого струму стабілізації: від 3 до 400 В. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації є одним з найбільш важливих параметрів стабілітрона. Він визначається за формулою: Температурний коефіцієнт напруги стабілізації показує відносну зміну напруги стабілізації при зміні температури навколишнього середовища на один градус при постійному значенні струму. При лавинному характері пробою Aст позитивний. Зі збільшенням температури напруга лавинного пробою збільшується, при зниженні температури - зменшується. При тунельному пробої Aст стає негативним, тому що зі збільшенням температури напруга тунельного пробою зменшується, з пониженням температури збільшується. Зміна знака Aст відбувається при напрузі електрич-ного пробою 5 - 6 В. Для зменшення Aст стабилитрона іноді застосовують комбінацію з послідовно включених (двох або більше), спеціально підібраних p-n-переходів з протилежним по знаку температурним коефіцієнтом напруги. Одним з ва-Ріанта температурної компенсації є включення послідовно-тельно зі стабілітроном діода в прямому напрямку. Мінімальний струм стабілітрона (Iст.min) визначається гарантованої стійкістю стану електричного пробою p-n-переходу. Максимальний струм стабілітрона (Iст.max) визначається відношенням максимально допустимої потужності до напруги стабили-зації: Диференціальний опір стабілітрона - величина, що визначається відношенням приросту напруги стабілізації на стабілітроні до викликав його малому приросту струму в заданий-ном діапазоні частот: Цей параметр характеризує основну властивість стабилитрона. Чим менше Rст. тим краще здійснюється стабілізація. Статичний опір або опір стабілітрона на постійному струмі в робочій точці визначається за формулою: Cтабістори. Це напівпровідниковий діод, напруга на якому в області прямого зміщення слабо залежить від струму в заданому його діапазоні. Відмінною особливістю його в порівнянні зі стабілітроном є меншу напругу стабілізації, яке визначається прямим падінням напруги на діоді, і становить 0,7 В. Послідовне з'єднання двох, трьох і т.д. стабисторов дає можливість отримати подвійну, утроенное напруга стабілізації. Стабистор має негативний температурний коефіцієнт і тому часто використовується для температурної компенсації стабилитрона з позитивним температурним коефіцієнтом. Для цього послідовно з стабілітроном необхідно включити один або кілька стабисторов. Тунельні діоди. Тунельний діод (рис. 3.9) - це напівпровідниковий діод, на прямій ділянці ВАХ якого (рис. 3.10) є ділянка з негативним диференціальним опором. Тунельні діоди виготовляють з матеріалу, що має підвищену кількість домішок. В результаті цього в тунельному діоді створюється напівпровідник з високою концентрацією носіїв зарядів, що призводить до малої товщині р-n-переходу і до більшої величиною дифузійного електричного поля. При зворотному включенні тунельний діод працює в режимі тунельного пробою. Основні параметри тунельного діода: 1) піковий струм (In) 2) струм западини (Iв); 4) напруга піку (Un); 5) напруга западини (Uвп). Тунельні діоди використовують для генерації і посилення електричних коливань і в перемикаються схемах.Схожі статті