Кремниевый стабилитрон. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц - 100 кГц. В них используется главное свойство p-n перехода - односторонняя проводимость. Полупроводниковые выпрямительные диоды имеют большие площади p-n перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Кремниевые выпрямительные диоды широко используются для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный и обычно подразделяются на:

• выпрямительные диоды малой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3 А;
• выпрямительные диоды средней мощности, рассчитанные на выпрямленный ток от 0,3 до 10 А;
• мощные выпрямительные диоды, рассчитанные на выпрямленный ток свыше 10 А.

Подробнее характеристики диодов можно посмотреть ниже:
Примечания:

1. Выпрямительные мосты - электронные устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. Такое преобразование называется двухполупериодным. Выпускаются выпрямительные мосты, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие I пр. max до 1 А и U o6p. max до 600 В. Выпрямительные мосты - основные компоненты блоков питания практически всех электронных устройств.

2. Выпрямительные столбы - полупроводниковые приборы, представляющие набор последовательно соединённых между собой выпрямительных полупроводниковых диодов и собранных в единую конструкцию с двумя выводами. Несколько выпрямительных столбов, заключённых в единый корпус, составляют выпрямительный блок, который можно включать в электрические цепи по различным схемам. Выпрямительные столбы и блоки применяют в различных радиоэлектронных, электротехнических приборах и устройствах для выпрямления переменного тока промышленной и звуковой частот на высоких напряжениях до 1500 В.

3. Высокочастотные диоды объединяют группу полупроводниковых диодов, предназначенных для обработки высокочастотных сигналов. В частности, детекторные высокочастотные диоды предназначены для выделения низкочастотного сигнала из модулированного, а смесительные высокочастотные диоды - для перемножения 2-х высокочастотных сигналов.

4. Импульсные диоды - разновидность полупроводниковых диодов, предназначенных для работы в быстродействующих импульсных схемах для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов. При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода. Импульсные диоды отличаются малой барьерной емкостью и малым временем восстановления обратного сопротивления. По способу изготовления р-n перехода импульсные диоды подразделяются на:

• точечные импульсные диоды;
• сплавные импульсные диоды;
• сварные импульсные диоды;
• диффузионные импульсные диоды;
• меза и пленарные импульсные диоды.

Полупроводниковый диод — электропреобразовательный прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным р-n- переходом.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

по конструкции : плоскостные, точечные;

по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенидо — галлиевые и др.

по назначению (рис.1) : а) выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Гана; б) стабилитроны; в) варикапы; г) тоннельные диоды; д) обращенные диоды; е) диоды Шоттки; ж) светодиоды; з) фотодиоды.

Рис.1. Условное графическое обозначение полупроводниковых диодов

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n- типа (рис.2), толщиной 0,1…0,6 мм и площадью 0,5…1,5 мм 2 ; с пластинкой соприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный р-n- переход полусферической формы.

Для изготовления германиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р- типа является эмиттерной.

Для изготовления кремниевых точечных диодов используется кремний n- типа и проволочка, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

Рис. 2 Устройство точечных диодов

В плоскостных диодах р-n- переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 3).

Рис. 3 Устройство плоскостных диодов, изготовленных

а — сплавным методом; б – диффузионным методом

В пластинку германия n- типа вплавляют при температуре около 500°С каплю индия (рис. 3, а) которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n- типа.

Диффузионный метод изготовления р-n- перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (рис. 3, б). Для создания р-слоя используют диффузию акцепторного элемента (бора или алюминия для кремния, индия для германия) через поверхность исходного материала.

Основными параметрами полупроводниковых диодов являются (рис.4):

Рис. 4 ВАХ полупроводникового диода и его основные параметры

— Прямой ток диода Iпр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно Uпр = 1…2В);

— Максимально допустимый прямой ток Iпр.max диода;

— Прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Uпр.max.

— Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max, при котором диод еще может нормально работать длительное время

Uобр.max = ⅔ ∙ Uэл.проб;

— Обратный ток Iобр.max.при максимально допустимом обратном напряжении Uобр.max;

— Прямое и обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратном напряжениях:

— Максимально допустимая мощность Pмах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

Анализ ВАХ германиевого и кремниевого диода показывает (рис.5).

Рис. 5. Зависимость ВАХ диода от температуры:

а – для германиевого диода; б – для кремниевого диода

1. Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет ΔUпр = (0,3…0,6)В, у кремниевых диодов − ΔUпр = (0,8…1,2)В.
2. При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через р-n- переход.При повышении температуры р-n- перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.
3. В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n- перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8)Uпроб.
4. Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.
5. Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С

1. Расчёт схем с диодами

Основной характеристикой диода служит его вольт-амперная характеристика (ВАХ), вид которой совпадает с характеристикой р -n- перехода. Поскольку вольтамперная характеристика не линейна, возникает проблема расчёта электрических цепей, в состав которых входит диод. Расчет, заключающийся в определении тока, проходящего через диод, проводят тремя методами:

1. Графический метод. При этом необходимо использовать график зависимости тока через диод от прямого падения напряжения на диоде. Пренебрегая обратными токами р-n-переходов. Пусть необходимо определить ток в цепи, предложенной на рисунке 6 (а).

Рис. 6: а- включение диода; б-ВАХ диода

Для предложенной схемы справедливо выражение:

Из этого выражения выразим напряжение на диоде и значение тока:

Можно заметить, что первое равенство справедливо в точке пересечения двух линий:

f 1 (I D) = U D — ВАХ диода;

f 2 (I) =E — I R1 — прямая линия, соединяющая точку E на оси напряжения с точкой E/R1 на оси тока (рис. 6, б). Единственная точка пересечения является решением задачи и определяет значение установившегося тока в цепи I D и значение падения напряжения на диоде при этом токе U D .

Хотя теоретически графический метод может дать высокую точность, на практике им пользоваться неудобно и точность вычислений будет невелика, поскольку диоды даже одного типа имеют разные вольтамперные характеристики.

Применение аналитической модели диода при оперативных расчётах практически невозможно.

1. Применение простейших моделей диодов . Метод основан на использовании кусочно-линейную аппроксимацию вольтамперной характеристики диода (рис. 7). Результатрасчета величины тока будет тем точнее, чем больше приложенное напряжение питания всей схемы E отличается от прямого падения напряжения на диоде. Этот метод представляет практический интерес. Рассмотрим два случая:
2. Известно примерное значение рабочего прямого тока через диод. Напряжение питания схемы E незначительно больше прямого падения напряжения на диоде U д (E>U д).

Проводится касательная к точке «а» с рабочим значением тока на ВАХ и прямо смещённый диод замещается источником электродвижущей силы (-Е0) и резистором с сопротивлением R д.пр. Условное обозначение диода и его эквивалентная схема при прямом смещении показана на рисунке8 (а). Сопротивление этого резистора определяется отношением приращения падения напряжения на диоде в рабочей точке к соответствующему приращению тока через диод.

Источник э.д.с. направлен против прямого тока диода, то есть противодействует току.

Рис.7 Кусочно-линейная аппроксимация ВАХ диода

1. Если напряжение питания схемы E значительно больше прямого падения напряжения на диоде (E>>U д), модель диода может быть упрощена и сведена к источнику э.д.с. с напряжением U д.пр =(0.6-0.8)В, если диод кремниевый или с напряжением U д.пр = (0.2-0.4)В, если диод германиевый. Условное обозначение диода и его эквивалентная схема при прямом смещении в этом случае показаны на рисунке 8 (б).

Рис. 8 Условное обозначение диода и схема его замещения при прямом токе: а — E>U д, б — E>>U д

C температурой прямое падение напряжения U д.пр на р-n переходе уменьшается на 2-3 мВ при повышении температуры на 10C. Если необходимо учитывать обратный ток через диод, то следует помнить, что с ростом температуры на каждые 10 0 C обратный ток германиевого диода удваивается, для кремния удвоение тока наблюдается при росте температуры на каждые 7 0 C.

Основой полупроводникового диода является р -n -переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р -n -перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.

Рис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb . Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n -перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р -n -переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р -n -переход. Кремниевый р -n -переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р -n -переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (I пр. ср < 0,3 А), средней (0,3 А < I пр. ср < 10 А) и большой (I пp.ср > 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р -n -переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а , а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б .

Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь р -n -перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости С д между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (f макс ? 300 МГц) и СВЧ (f мак с? 300 МГц). Помимо статической емкости С д точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.

Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: С д и t восст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения.

Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение U обр. пр , то происходит лавинный пробой р -n -перехода,

при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а ) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б ). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения I ст. макс , то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р- n -переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя р -n -перехода.

К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации
U ст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации I ст . ном (см. рис. 1.8, а ). Помимо I ст. ном указываются также минимальное I ст. мин и максимальное I ст. макс значения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения U обр. пр , зависящего, в свою очередь, от ширины р -n -перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения u вх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R . Избыток входного напряжения выделяется на R , а напряжение u вых остается практически неизменным.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р -n -перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р -n -переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p -n -перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U , то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость С ном , определяемая при номинальном напряжений смещения (U ном = 4 В), максимальная С мак с и минимальная С мин емкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости К с = С макс /С мин ), добротность Q , а также U обр.макс .

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p -n -перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р -n -переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n - и р -типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р -n -перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области р -n -перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р -n -перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р -область, а электроны – в n -область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, определяемые равенствами (1.8), (1.9), возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком I ф . При этом полный дрейфовый ток представляет собой, в соответствии с выражением (1.10), тепловой ток I o , обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p -типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n -типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Е ф . Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях.

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р -n -переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n -области полупроводника инжектируют в р -область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Е е в энергетическое состояние уровня Е у с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs ), фосфиде галлия (GaP ), карбиде кремния (SiC ), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A ? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р , длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (I пр.макс = 1 мА – постоянный прямой ток, U обр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

В выпрямительных диодах используется вентельное свойство электронно-дырочного перехода, т.е. при прямом напряжении сопротивление р-n-перехода мало, а при обратном напряжении – велико.

Широко распространены низкочастот­ные выпрямительные диоды , предназна­ченные для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц (иногда до 50 кГц). Эти диоды приме­няются в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Низкочастотные диоды являются плоскостными и изготовляются из гер­мания или кремния.Они предназначены для выпрямления переменного тока с постоянным или сред­ним значением не более 10А.

Все параметры диодов обычно указываются для работы при температу­ре окружающей среды 20±5°С.

Германиевые диоды изготовляются, как правило, вплавлением индия в гер­маний n-типа. Они могут допускать плотность тока до 100 А/см 2 при пря­мом напряжении до 0,8 В. Предельное обратное напряжение у них не превы­шает 400 В, а обратный ток обычно бывает не более единиц миллиампер. Рабочая температура этих диодов от – 60 до + 75 о С. Если диоды работают при температуре окру­жающей среды выше 20 °С, то необхо­димо снижать обратное напряжение. При пониженном атмосферном давлении или неудовлетворительном охлаждении воз­можен перегрев диодов. Чтобы не до­пускать его, следует снижать выпрямлен­ный ток.

Мощные германиевые диоды рабо­тают с естественным охлаждением. Они изготовляются на выпрямленный ток до 1000 А и обратное напряжение до 150 В.

Выпрямительные кремниевые диоды в последнее время получили особенно большое распространение. Они изготов­ляются вплавлением алюминия в крем­ний n-типа, а также сплава олова с фос­фором или золота с сурьмой в кремний р-типа. Применяется и диффузионный метод. По сравнению с германиевыми кремниевые диоды имеют ряд преи­муществ. Предельная плотность прямого тока у них до 200 А/см 2 , а предельное обратное напряжение может быть до 1000 В. Рабочая температура от –60 до +125 °С (для некоторых типов даже до +150 °С). Прямое напряжение у крем­ниевых диодов доходит до 1,5 В, т. е. несколько больше, чем у германиевых диодов. Обратный ток у кремниевых диодов значительно меньше, чем у гер­маниевых.

Для выпрямления высоких напряже­ний выпускаются кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпу­сах, залитых изолирующей смолой. Они бывают рассчитаны на ток до сотен миллиампер и обратное напряжение до нескольких киловольт. Для более удоб­ной сборки различных выпрямительных схем, например мостовых или удвоительных, служат кремниевые выпрями­тельные блоки. В них имеется несколь­ко столбов, от которых сделаны отдель­ные выводы. Мощные кремниевые дио­ды выпускаются на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение от 50 до 1000 В.

В выпрямительных диодах применяются также и p-i-перехо­ды, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля в p-n-переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой (p-i-n диоды). Для этой же цели иногда используют р + –р или n + – n переходы. Для их получения методом эпитаксии на поверхности исходного полупроводника наращивают тонкую высокоомную пленку. На ней методом вплавления или диффузии создают p-n переходы, в результате чего получается структура гипа р + –р – n или n + – n – р. 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 применять материал с возможно малым удельным сопротивлением; во-вторых, для получения высокого напряже­ния пробоя и малой емкости p-n перехода необходимо приме­нять 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 их из-за большой площади p-n-переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

На рисунке 2.13 приведена вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) выпрямительных диодов малой мощности.

Здесь показано условное графическое обозначение выпрямительного диода (в). Вершина треугольника «стрелка» показывает направление прямого тока протекающего от большого потенциала «+» (анода) к меньшему потенциалу «–» (катоду).

Рисунок 2.13 - Вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов

Из приведенных ВАХ видно, что для кремниевых диодов по сравнению с германиевым прямые ветви характеристик, построенных при одних и тех же температурах, смещены в право. Т.е для получения одинаковых прямых токов необходимо к кремниевым диодам прикладывать большее прямое напряжение, чем к германиевым.

При увеличении температуры прямая ветвь характеристик становится более крутой. Обратный ток в кремниевых диодах меньше, чем у германиевых.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода U обр max - значение напряжения, приложенного в обратном на­правлении, которое диод может выдержать в течение длитель­ного времени без нарушения его работоспособности (десятки - тысячи В).

2. Средний выпрямленный ток диода I вп ср - среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протека­ющего через диод (сотни мА - десятки А).

3. Импульсный прямой ток диода I при - пиковое значение импульса тока при заданной максимальной длительности, скважности и формы импульса.

4. Средний обратный ток диода I o бр ср - среднее за период значение обратного тока (доли мкА - несколько мА).

5. Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока U пр ср (доли В).

6. Средняя рассеиваемая мощность диода Р срд - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях (сотни мВт-десятки и более Вт).

7. Дифференциальное сопротивление диода r диф - отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы - сотни Ом).

Система параметров не допускает работу выпрямительных диодов в области электрического пробоя. Разновидностью выпрямительных диодов, допускающих в течение длительного интервала времени работу в области электрического лавинного пробоя на обратной ветви ВАХ,являются лавинные диоды . Эта особенность лавинных диодов позволяет эффективно применять их в качестве элементов цепей аппаратуры от импульсных перегрузок по напряжению.

На рисунке 2.14 показана конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В. Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 50кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с жёсткими выводами. Тип диода и схема соединения диодов с выводами приводятся на корпусе. Масса диодов не более 6г.

На рисунке 2.15 показана конструкция кремниевых эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А, 2Д245Б,В. Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 200 кГц во вторичных источниках электропитания. Выпускаются в металлопластмассовом корпусе с гибкими выводами. Положительный электрод соединён с металлическим основанием корпуса. Тип диода приводится на корпусе. Масса диода не более 4г.

Рисунок 2.14 - Конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В

Рисунок 2.15 - Конструкция кремниевых, эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А,Б,В

Выпрямительные диоды широко применяются на высоких частотах (диапазон частот от 30 МГц до 300 МГц) для детектирования колебаний высокой частоты и используются в радиотехнической, телевизионной и другой аппаратуре.

По технологии изготовления они могут быть точечными, диффузионными или иметь мезаструктуру. В качестве высокочастотных выпрямительных диодов используется диод Шотки .

Диоды Шотки характеризуются наибольшим быстродей­ствием (единицы нс) и малыми значениями прямого падения напряжения (обычно при номинальном токе составляют 0,5... 0,6 В). Основной недостаток диодов Шотки заключается в малой величине обратного напряжения (до 70 В). Увеличение обратного напряжения сопровождается ростом тока утечки и прямого падения напряжения.

Быстродействие высокочастотных диодов характеризуется временем обратного восстановления диода (τ вост обр). Это время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения.

Эпитаксиальная технология позволяет создавать быстро­действующие диоды на большие обратные напряжения (200... 1200 В), но с повышенным значениями прямого падения на­пряжения до 1,2 В и времени обратного восстановления до 20...100 нс. Пониженные значения токов утечки и емкости переходов обеспечивают их преимущества перед диодами Шотки при работе в высокочастотных схемах.

Диффузионная технология позволяет повысить обратные напряжения быстродействующих диодов до значений выше 1200 В, но приводит к еще большим значениям прямого паде­ния напряжения до 1,4...1,5 В и времени обратного восстано­вления до 200...500 нс.

Основу конструкции высокочастотных диодов составляет стеклянный или металлокерамический патрон, в торцах которого установлены металлические контакты, имеющие выводы.

На рисунке 2.16 показана конструкция германиевых микросплавных высокочастотных диодов ГД403А, ГД403Б, ГД403В, предназначенные для применения в качестве детекторов амплитудно-модулированных сигналов в радиовещательных приёмниках. Они выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами. Тип диода и схема соединения электродов с выводами приводится в корпусе. Масса диода не более 0,6г.

Рисунок 2.16 - Конструкция германиевых микросплавных высокочастотных диодов ГД403А, ГД403Б, ГД403В

Рисунок 2.17 – Конструкция кремниевых высокочастотных диодов

Полупроводниковым диодом или полупроводниковым вентилем называется прибор, предназначенный для преобразования одних электрических величин в другие электрические величины, имеющий электроннодырочный -переход. Диод имеет два внешних вывода.

В германиевых и кремниевых диодах используются явления, происходящие в -переходах между областью кристалла германия с -проводимостью и областью с -проводимостью. Они изготовляются точечными, микроплоскостными и плоскостными.

Рис. 17-6. Германиевый точечный вентиль.

Рис. 17-7. Вольт-амперная характеристика германиевого точечного вентиля.

Точечный германиевый диод (рис. 17-6) состоит из стеклянного (или металлостеклянного) баллона диаметром около 3 и длинои 9 мм, в который впаяны два проводниковых вывода, на конце одного из них укреплен кристалл германия 1 с -проводимостью, на конце другого - тонкая заостренная проволочка - игла 2 из индия.

Рис. 17-8. Германиевый плоскостной вентиль типа Д-7.

Запирающий слой (-переход) образуется в процессе формовки диода при пропускании; импульсов тока, под действием которых атомы индия диффундируют в кристалл германия, образуя в нем полусферическую область (рис. 17-6) с дырочной проводимостью. Наибольший прямой ток этого вентиля 16 мА, максимальное допустимое обратное напряжение 50 В. Вольт-амперная характеристика вентиля показана на рис. 17-7.

Микроплоскостные диоды отличаются от точечных несколько большей поверхностью -перехода.

Плоскостной вентиль (рис. 17-8, а) состоит из пластины германия 1 с примесью мышьяка или сурьмы, имеющей электронную проводимость, и индиевой таблетки 2. При изготовлении диода они нагреваются до температуры около 500° С, при которой таблетка индия плавится, ее атомы диффундируют в германий, образуя область 2а (рис. 17-8, а) с дырочной проводимостью. На границе двух областей и создается -переход.

На рис. 17-8, б показано устройство одного из плоскостных германиевых диодов.

Рис. 17-9. Вольт-амперная характеристика плоскостного вентиля.

Рис. 17-10. Кремниевый диод типа ВК-100.

В металлическом корпусе 5 укреплен проводник 4 с рас положенным на конце кристаллом германия 1. Электрод 2 из индия соединен с одним из выводов 7 проводником 3, проходящим через изолятор 6. Выпрямленный наибольший ток вентиля 300 мА, максимальное допустимое обратное напряжение 50 В. На рис. 17-9 дана вольт-амперная характеристика плоскостного вентиля.

Германиевые диоды допускают плотность тока до 100 А/см2 при прямом напряжении до 0,8 В. Рабочая температура С.

Выпрямительные кремниевые диоды изготовляются вплавлением алюминия в кремний -типа. У этих диодов плотность тока доходит до 200 А/см2 при прямом напряжении до 1-1,2 В. Рабочий ток до 1 000 А, допустимое обратное напряжение обычно 700-800 В, иногда более 1 000 В.

В кремниевых вентилях обратный ток на несколько порядков. меньше, чем у германиевых. Рабочая температура -60 - +150° С. На рис. 17-10 показан кремниевый диод типа ВК-100 с воздушным охлаждением на номинальный ток 100 А.