Полупроводниковые диоды. Характеристика и параметры. Классификация и система обозначений. Выпрямители и фильтры

• выпрямительные;
• стабилитроны;
• варикапы;
• туннельные;
• импульсные и др.;

по  применяемым исходным  материалам:

• германиевые;
• кремниевые;
• из арсенида галлия;

по  технологии изготовления:

• сплавные;
• диффузионные;
• планарные;

по  частотному диапазону:

• низкочастотные;
• высокочастотные;
• СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по  типу р-n-перехода:

• плоскостные;
• точечные.

 

Плоскостным называют р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.

Плоскостные диоды малой  и средней мощности выполняются  обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германия n-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводника n-типа – базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния.

В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем  диффузии из газовой фазы атомов примеси  в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.

Рис. 3.2. Устройство диода: а  – плоскостного; б - точечного

В точечных диодах (рис. 3.2, б) выпрямляющий p-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10…20 мкм) и кристаллом полупроводника обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводника p-типа. Точечные диоды вследствие малой площади p-n-перехода выпускаются на малые токи.

Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики: 1 –n-p-перехода, 2 –диода

Теоретические вольт-амперные характеристики n-p-перехода и полупроводникового диода (рис.3.3) несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы (r_б), которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Падение напряжения на сопротивлении r_б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате, напряжение непосредственно на n-р-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:

Отсюда напряжение, приложенное  к диоду, равно:

U_эб = I r_б + U_pn.

Необходимо заметить, что  сопротивление базы (r_б) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.

При увеличении обратного  напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I₀. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации (I_тг). С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и ток I_тгтакже увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток  называется током утечки (I_у). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый I_обр, определяется как сумма токов:

I_обр = I₀ + I_тг + I_у.

Каждый тип диодов характеризуется  параметрами – величинами, определяющими  основные свойства приборов, а также  имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.

Полупроводниковые диоды  имеют следующие основные параметры:

• постоянный обратный ток диода (I_обр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;
• постоянное обратное напряжение диода (U_обр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;
• постоянный прямой ток диода (I_пр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;
• постоянное прямое напряжение диода (U_пр) – значение  постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры – параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:

• максимально допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах);
• максимально допустимый постоянный  прямой ток (I_пр. mах), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;
• максимально допустимое постоянное обратное напряжение (U_{обр. mах});
• дифференциальное сопротивление (r_диф);
• минимальная (Т_мин) и максимальная (Т_mах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах) определяется тепловым сопротивлением диода (R_т), допустимой температурой перехода (Т_п mах) и температурой окружающей среды (Т_о) в соответствии с соотношением:

 

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

Обратное максимально  допустимое напряжение (U_{обр. mах}) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:

U_обр max ? 0,8 U_проб.

Дифференциальное сопротивление (r_диф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

Сопротивление r_диф зависит от режима работы диода.

Минимальная температура  окружающей среды (Т_мин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Т_макс= +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Обозначение диодов состоит  из шести символов:

Классификация и система  обозначений

Классификация диодов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим  признакам, роду исходного материала (полупроводника) отображается системой условных обозначений их типов. Система условных обозначений постоянно совершенствуется в соответствии с возникновением новых классификационных групп и типов диодов. Обычно системы обозначений представлены буквенно-цифровым кодом.

На территории СССР система  условных обозначений неоднократно претерпевала изменения и до настоящего времени на радиорынках можно встретить полупроводниковые диоды, выпущенные на заводах СССР и с системой обозначений согласно отраслевого стандарта ОСТ 11 336.919-81, базирующегося на ряде классификационных признаков изделий .Итак,

1. первый элемент буквенно-цифрового кода обозначает исходный материал (полупроводник), на основе которого изготовлен диод, например:
• Г или 1 — германий или его соединения;
• К или 2 — кремний или его соединения;
• А или 3 — соединения галлия (например, арсенид галлия);
• И или 4 — соединения индия (например, фосфид индия);
2. второй элемент — буквенный индекс, определяющий подкласс приборов;
• Д — для обозначения выпрямительных, импульсных, магнито- и термодиодов;
• Ц — выпрямительных столбов и блоков;
• В — варикапов;
• И — туннельных диодов;
• А — сверхвысокочастотных диодов;
• С — стабилитронов, в том числе стабисторов и ограничителей;
• Л — излучающие оптоэлектронные приборы;
• О — оптопары;
• Н — диодные тиристоры;
3. третий элемент — цифра (или в случае оптопар — буква), определяющая один из основных признаков прибора (параметр, назначение или принцип действия);
4. четвёртый элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа изделия;
5. пятый элемент — буквенный индекс, условно определяющий классификацию по параметрам диодов, изготовленных по единой технологии.

Кроме того, система обозначений  предусматривает (в случае необходимости) введение в обозначение дополнительных знаков для выделения отдельных  существенных конструктивно-технологических  особенностей изделий.

Выпрямители и  сглаживающие фильтры

Выпрямительные устройства используются для преобразования переменного  напряжения в постоянное. Выпрямительное устройство обычно состоит из трансформатора, полупроводниковых диодов, осуществляющих выпрямление переменного напряжения, и сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного напряжения.

Для работы выпрямителей принципиальное значение имеет характер фильтра, включенного на выходе выпрямителя. Выпрямители, нагруженные на фильтр в виде конденсатора, используются в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей. Трансформаторы этих выпрямителей должны иметь большую  мощность, чем выпрямители с индуктивным  фильтром. К недостаткам выпрямителей с емкостным фильтром относятся  большая амплитуда тока через  выпрямительный диод в момент включения  источника.

Выпрямители с индуктивным  фильтром применяются в широком  диапазоне выпрямленных напряжений при мощностях от десятков ватт до нескольких киловатт и при токах  свыше 1 А. Такие выпрямители имеют  меньшее внутреннее сопротивление  по сравнению с выпрямителями  с емкостным фильтром, что уменьшает  зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Применение индуктивного фильтра ограничивает импульс тока через диод. Недостатком выпрямителей с таким фильтром являются перенапряжения, возникающие на выходной емкости  и на дросселе фильтра при включении  выпрямителя и при скачкообразных изменениях тока нагрузки, что представляет опасность для элементов самого выпрямителя и его нагрузки.

Выпрямители без сглаживающего  фильтра применяются сравнительно редко и в тех случаях, когда  пульсации напряжения на нагрузке не имеют существенного значения. Сглаживающий фильтр также часто отсутствует  в многофазных выпрямителях, имеющих  малую пульсацию выпрямленного  напряжения.

Выбор схемы выпрямителя  зависит от ряда факторов, которые  должны учитываться в зависимости  от требований, предъявляемых к выпрямительному  устройству. К ним относятся: выпрямленное напряжение и мощность, частота пульсации  выпрямленного напряжения, число  диодов, обратное напряжение на диоде, коэффициент использования мощности трансформатора, напряжение вторичной  обмотки. Повышение частоты пульсации  позволяет уменьшить размеры  сглаживающего фильтра.