Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р–n переходом и двумя выводами.

В зависимости от технологических процессов, использованных при изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды и т.д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р–n переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную – базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используют р–n-, р–i-, n–i- переходы, а также переходы металл – полупроводник. Идеализированная вольт–амперная характеристика описывается уравнением идеализированного р–n перехода.

В реальных диодах прямая и обратная ветви вольт–амперной характеристики отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток I_T при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход вольт–амперной характеристики оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2–10 мА.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную вольт–амперную характеристику, сложно и нецелесообразно. Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток I_обр, который измеряют при определенном значении обратного напряжения. У германиевых диодов I_обр≈I_T, у кремниевых I_обр»I_T. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды можно воспользоваться упрощенным выражением

(2.14)

где – приращение температуры, при котором обратный ток удваивается ( ≈ 8 ÷10° С для германия и ≈ 8 ÷10° С для кремния).

В практике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10° С. При этом фактическое значение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.

Прямая ветвь вольт–амперной характеристики диода отклоняется от идеализированной из–за наличия токов рекомбинации в р–n- переходе, падения напряжения на базе диода, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей заряда и наличии в базе внутреннего поля, возникающего при большом коэффициенте инжекции. С учетом падения напряжения на базе диода уравнение прямой ветви вольт–амперной характеристики диода:

(2.15)

На рисунке 2.13 приведены вольтамперные характеристики германиевых и кремниевых диодов.

Некоторые типы диодов, применяемых в низкочастотных цепях.

Выпрямительные диоды. Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости р–n перехода и

Рис. 2.13 Вольтамперные характеристики диодов а) германиевого,

б) кремниевого, в) условное обозначение в схемах электрических принципиальных.

стабильности параметров которых не предъявляют специальных требований, называют выпрямительными.

В качестве выпрямительных диодов используют сплавные, эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных р–n переходов.

В выпрямительных диодах применяют также и р–i переходы, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля в р–n переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой. Для этой же цели иногда используют р⁺–р- или n⁺–n- переходы. Для их получения методом эпитаксии не поверхности исходного полупроводника наращивают тонкую высокоомную пленку. На ней методом вплавления или диффузии создают р–n переходы, в результате чего получается структура р⁺–р- или n⁺–n- типа. В таких диодах успешно разрешаются противоречивые требования, состоящие в том, что во–первых, для получения малых обратных токов, малого падения напряжения в открытом состоянии и температурной стабильности характеристик необходимо применить материал с возможно меньшим удельным сопротивлением; во–вторых для получения высокого напряжения пробоя и малой емкости р–n перехода необходимо применить полупроводник с высоким удельным сопротивлением.

Эпитаксиальные диоды обычно имеют малое падение напряжения в открытом состоянии и высокое пробивное напряжение.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость из–за большой площади р–n перехода велика и может достигать значений десятков пикофарад.

Германиевые выпрямительные диоды могут быть использованы при температурах до 70–80º С, кремниевые – до 120–150º С, арсенид–галлиевые – до 150º С.