Для чего нужны полупроводниковые диоды

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод (ПД) представляет собой двухэлектродный прибор, действие которого основано на использовании электрических свойств p-n перехода или контакта металл-полупроводник. К этим свойствам относятся: односторонняя проводимость, нелинейность вольтамперной характеристики, наличие участка вольтамперной характеристики, обладающего отрицательным сопротивлением, резкое возрастание обратного тока при электрическом пробое, существование емкости p-n перехода. В зависимости от того, какое из свойств p-n перехода используется, полупроводниковые диоды могут быть применены для целей выпрямления, детектирования, преобразования, усиления и генерирования электрических колебаний, а также для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и в качестве переменных реактивных элементов.

В большинстве случаев ПД отличается от симметричного p-n перехода тем, что p- область диода имеет значительно большее количество примесей, чем n- область (несимметричный p-n переход ), т.е. . В этом случае n- область носит название базы диода. При подаче на такой переход обратного напряжения ток насыщения будет состоять почти только из потока дырок из базы в p- область и будет иметь меньшую величину, чем для симметричного перехода. При подаче прямого напряжения прямой ток тоже почти полностью будет состоять из потока дырок из p- области в базу и уже при небольших прямых напряжениях будет возрастать экспоненциально (уравнение в/а характеристики p-n перехода имеет вид:

Применение ПД для тех или иных целей определяет требования, предъявляемые к его характеристикам, к величинам преобразуемых мощностей, токов и напряжений. Эти требования могут быть удовлетворены с помощью соответствующего выбора материала, из которого изготовляется диод, технологией изготовления p-n перехода и конструкцией диода.

В соответствии с этим ПД разделяются ряд основных типовых групп. Существующая классификация подразделяет ПД следующим образом:

а) по назначению (выпрямительные, детекторные, преобразовательные, стабилитроны, варикапы и др.);

б) по частотным свойствам (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ);

в) по типу перехода (плоскостные, точечные);

г) по исходному материалу (германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и т.д.);

Кроме того существует разделение ПД внутри одной группы в соответствии с электрическими параметрами.

Кроме специфических параметров, характеризующих данную типовую группу, существуют параметры общие для всех ПД независимо от их специального назначения. К ним относятся: рабочий интервал температур, допустимое обратное напряжение, допустимый выпрямленный ток, допустимая мощность рассеивания.

Рабочий интервал температур.

При повышении температуры растет собственная электропроводность проводника (увеличивается генерация пар носителей заряда электрон-дырка), растет ток насыщения и растет вероятность пробоя p-n перехода.

Максимально допустимая температура перехода тем больше, чем шире запрещенная зона полупроводника. Так для германиевых диодов допустимый интервал температур окружающей среды лежит в пределах , а для кремниевых в пределах . При понижении температуры увеличивается сопротивление диода как прямое, так и обратное, а также появляется вероятность механических повреждений кристалла из-за увеличивающейся хрупкости.

Допустимое обратное напряжение

Обычно за допустимое обратное напряжение принимается величина:

где — напряжение, при котором возникает пробой p-n перехода.

Значение зависит от температуры и от удельного сопротивления полупроводника . Последнее объясняется тем, что напряженность поля p-n перехода, а значит и напряжение пробоя зависят от ширины перехода, которая в свою очередь зависит от концентрации примесей, т.е. от удельного сопротивления полупроводника. Так как p-n переход тем шире, чем больше удельное сопротивление полупроводника, то и будет тем больше, чем больше удельное сопротивление исходного материала.

Если требуется получить большое выпрямленное напряжение, при котором к диоду будет приложено обратное напряжение большее, чем допустимое, применяют последовательное включение диодов. Так как величины обратных сопротивлений диодов не одинаковы, то обратные напряжения при последовательном включении распределяются между диодами неравномерно и диод, имеющий большее обратное сопротивление, может быть пробит. Во избежание этого каждый из последовательно включенных диодов шунтируют сопротивлением такой величины, чтобы распределение напряжений на диодах в основном определялось этими сопротивлениями.

Допустимый выпрямленный ток

Так как при протекании тока возрастает температура перехода, то величина допустимого тока ограничивается допустимой температурой перехода. Для того, чтобы получить выпрямленный ток больше допустимой величины, можно включить несколько диодов параллельно. Так как диоды обладают разным прямым сопротивлением, то токи распределяются неравномерно и может оказаться, что ток, протекающий через диод с наименьшим сопротивлением, превысит допустимое значение. Во избежание этого последовательно с каждым из диодов включается сопротивление.

Предельно допустимая мощность рассеивания .

Предельно допустимая мощность рассеивания зависит от конструкции диода, так и от температуры окружающей среды, т.е. от условий охлаждения.

Очевидно, что рабочие режимы в схемах надо выбирать так, чтобы:

где I — ток, протекающий через диод,

U — напряжение, приложенное к диоду.

2.2 Выпрямительные диоды (силовые диоды. вентили).

Выпрямительные ПД применяются для преобразования переменного тока низкой частоты (до 50кГц) в ток одного направления (выпрямление переменного тока). Обычно рабочие частоты выпрямительных ПД малой и средней мощности не превышают 20 кГц, а диодов большой мощности — 50 Гц.

Возможность применения p-n перехода для целей выпрямления обусловлено его свойством проводить ток в одном направлении (ток насыщения очень мал).

В связи с применением выпрямительных диодов к их характеристикам и параметрам предъявляются следующие требования:

а) малый обратный ток ;

б) большое обратное напряжение;

в) большой прямой ток;

г) малое падение напряжения при протекании прямого тока.

Для того, чтобы обеспечить эти требования, выпрямительные диоды выполняются из полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны, что уменьшает обратный ток, и большим удельным сопротивлением, что увеличивает допустимое обратное напряжение. Для получения в прямом направлении больших токов и малых падений напряжения следует увеличивать площадь p-n перехода и уменьшать толщину базы.

Выпрямительные диоды изготавливаются из германия (Ge) и кремния (Si) с большим удельным сопротивлением, причем Si является наиболее перспективным материалом.

Кремниевые диоды, в результате того, что Si имеет большую ширину запрещенной зоны [1] , имеют во много раз меньшие обратные токи, но большее прямое падение напряжения, т.е. при равной мощности отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у кремниевых диодов будет больше. Кремниевые диоды имеют большие обратные напряжения и большие плотности тока в прямом направлении.

Зависимость вольтамперной характеристики кремниевого диода от температуры показана на рис.2.1.

Из рисунка 2.1 следует, что ход прямой ветви вольтамперных характеристик при изменении температуры изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной температуре.

Количество неосновных носителей заряда определяется температурой и поэтому ход обратной ветви вольтамперной характеристики сильно зависит от температуры, причем эта зависимость резко выражена для гермениевых диодов. Величина напряжения пробоя тоже зависит от температуры. Эта зависимость определяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом пробое за счет ударной ионизации возрастает при повышении температуры. Это объясняется тем, что при повышении температуры увеличиваются тепловые колебания решетки, уменьшается длина свободного пробега носителей заряда и для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию достаточную для ионизации валентных связей, надо повысить напряженность поля, т.е. увеличить приложенное к p-n переходу обратное напряжение. При тепловом пробое при повышении температуры уменьшается.

В некотором интервале температур для германиевых диодов пробой чаще всего бывает тепловым (ширина запрещенной зоны Ge невелика), а для кремниевых диодов — электрическим. Это определяет значения при заданной температуре. При комнатной температуре значения для германиевых диодов обычно не превышают 400В , а для кремниевых — 1500В.

2.3 Высокочастотные полупроводниковые диоды.

В высокочастотных полупроводниковых диодах так же, как и в выпрямительных диодах, используется несимметричная проводимость p-n перехода.

Они работают на более высоких частотах, чем выпрямительные диоды (до сотен Мгц), и подразделяются на универсальные и импульсные. Универсальные в.ч. диоды применяются для получения высокочастотных колебаний тока одного направления, для получения из модулированных по амплитуде в.ч. колебаний — колебаний с частотой модуляции (детектирование), для преобразования частоты. Импульсные диоды применяются как переключающий элемент в импульсных схемах.

При работе ПД на высокой частоте большую роль играет емкость перехода, обусловливающая инерционность диода. Если диод включен в выпрямительную схему, то влияние емкости приводит к ухудшению процесса выпрямления

Кроме того, эффективность выпрямления снижается за счет того, что часть подведенного к p-n переходу внешнего напряжения падает на сопротивлении базы диода. Отсюда следует, что p-n переходы полупроводниковых диодов, работающих на высокой частоте должны обладать малой емкостью и малым сопротивлением базы .

Для уменьшения емкости уменьшают площадь перехода, а для уменьшения сопротивления базы уменьшают толщину базы.

Требование уменьшения инерционных свойств в.ч. диода и, в связи с этим уменьшение площади перехода, времени жизни неравновесных неосновных носителей заряда и толщины базы становится особенно важным в том случае, если диод работает в импульсной схеме в качестве переключателя. Переключатель имеет два состояния: открытое и закрытое. В идеальном случае переключатель должен иметь нулевое сопротивление в открытом состоянии, бесконечно большое — в закрытом, и мгновенно переходить из одного состояния в другое. В реальном случае при переключении в.ч. диода из закрытого состояния в открытое и обратно стационарное состояние устанавливается в течении некоторого времени, которое называется временем переключения и характеризует инерционные свойства диода. Наличие инерционных свойств при быстром переключении приводит к искажению формы переключаемых импульсов.

При изготовлении импульсных диодов в исходный полупроводник вводятся элементы, являющиеся эффективными центрами рекомбинации (Au, Cu, Ni ), что снижает время жизни неравновесных носителей заряда. Толщина n- области (базы) уменьшается до значений меньших, чем значение диффузионной длины пробега дырок Zр. Это одновременно уменьшает и время жизни неравновесных носителей и сопротивление базы. Конструктивно в.ч. диоды выполняются в виде точечной конструкции или плоскостной с очень малой площадью перехода.

2.4 Туннельные диоды.

Туннельные диоды выполняются из полупроводников с большим количеством примесей (вырожденные полупроводники). Вольтамперная характеристика p-n перехода, выполненного на основе вырожденных полупроводников, имеет область с отрицательным сопротивлением, на котором при увеличении напряжения протекающий ток уменьшается. Элемент, обладающий отрицательным сопротивлением, не потребляет электрическую энергию, а отдает ее в цепь, т.е. является активным элементом цепи.

Наличие падающего участка вольтмаперной характеристики позволяет применять туннельные диоды в качестве генераторов и усилителей электрических колебаний широкого диапазона частот, включая СВЧ, и в качестве высокоскоростных переключателей.

Туннельные диоды выполняются из вырожденных полупроводников, главным образом из германия, кремния и арсенида галлия. Т.к. для туннельного перехода носителей сквозь потенциальный барьер p-n переход должен быть узким и резким, то p-n переходы туннельного диода изготавливают методом вплавления. Кроме того, применяется метод эпитаксильного наращивания вырожденных слоев, который также позволяет получить резкие переходы. Для уменьшения емкости (а, следовательно, для повышения верхней граничной частоты, на которой туннельный диод может работать как активный элемент с отрицательным сопротивлением) применяется метод получения p-n переходов малой площади.

Вольтамперная характеристика туннельного диода показана на рис.2.2. Ее вид зависит от концентрации примесей, от рода примесей при одном и том же значении концентрации и от температуры, причем зависимость от температуры различна для туннельных диодов, выполненных из разных материалов.

Основным параметром, характеризующим вольтамперную характеристику туннельного диода, является отрицательное дифференциальное сопротивление, характеризующее наклон падающего участка :

Т. к. туннельное прохождение электронов сквозь потенциальный барьер перехода не связано с медленным процессом диффузии, то время передачи туннельного тока очень велика (порядка сек для сильно легированного германия) и в туннельных диодах отсутствует инерционность за счет малой подвижности носителей. Поэтому частотные свойства туннельных диодов определяются не скоростью передачи тока, а только факторами, зависящими от конструкции: емкостью p-n перехода С, сопротивлением потерь , обусловленным объемным сопротивлением полупроводника и выводов, и суммарной индуктивностью диода . Частотные свойства туннельного диода характеризуются максимальной частотой

На частотах выше туннельный диод уже нельзя использовать в качестве отрицательного сопротивления, т.е. генерирование и усиление электрических колебаний на этих частотах невозможно. Кроме того, качество туннельного диода на высоких частотах оценивается отношением , которое иногда называется фактором добротности.

При работе туннельного диода в переключающих схемах его быстродействие характеризуется величиной времени переключения, зависящим и от свойств диода и от параметров схемы.

2.5 Стабилитроны

Обратная ветвь в/а характеристики, показанной на рис.2.3, т.е. явление пробоя p-n перехода, можно использовать для целей стабилизации напряжения, пользуясь тем обстоятельством, что до тех пор пока пробой носит электрический характер характеристика пробоя полностью обратима. Полупроводниковые диоды, служащие для стабилизации напряжения, называются стабилитронами.

Как видно из характеристики, в области пробоя незначительные изменения обратного напряжения приводят к резким изменениям величины обратного тока. Предположим, что диод, имеющий такую характеристику, включен в простейшую схему, показанную на рис.2.4, причем рабочая точка [2] находится в той области в/а характеристики, где при изменении тока напряжение практически остается постоянным.

В этом случае, если изменяется входное напряжение U, то изменяется ток в цепи, но т.к. напряжение на диоде при изменении тока остается постоянным (изменяется сопротивление диода), то и напряжение в точках а,б — постоянно. Если параллельно к диоду к точкам а,б подключить сопротивление нагрузки, то напряжение на нагрузке тоже не изменится.

Стабилитроны изготовляются из кремния. Это связано с тем, что в стабилитронах может быть использована только электрическая форма пробоя, которая является обратимой. Если пробой перейдет в необратимую тепловую форму, то прибор выйдет из строя. Поэтому величина обратного тока в стабилитронах ограничена допустимой мощностью рассеивания.

Т.к. ширина запрещенной зоны кремния больше, чем у германия, то для него электрическая форма пробоя перейдет в тепловую при больших значениях обратного тока — отсюда целесообразность выполнения стабилитронов из кремния. Степень легирования кремния, т.е. величина его удельного сопротивления , зависит от величины стабилизируемого напряжения, на которое изготовляется диод. Стабилитроны для стабилизации низких напряжений изготовляются из кремния с малым удельным сопротивлением; чем выше стабилизируемое напряжение, тем из более высокоомного материала выполняется диод. Изменение стабилизируемого напряжения от нескольких вольт до десятков вольт может быть достигнуто изменением удельного сопротивления кремния.

Основным параметром стабилитронов является напряжение стабилизации и температурный коэффициент напряжения ТКН, характеризующий изменение напряжения на стабилитроне при изменении температуры на , при постоянном токе.

ТКН может принимать как положительные, так и отрицательные значения в зависимости от влияния температуры на напряжение пробоя . Для низковольтных стабилитронов, которые выполняются из низкоомных полупроводников, пробой имеет туннельный характер, а т.к. вероятность туннельного перехода электронов возрастает с увеличением температуры, т.е. падает, то низковольтные стабилитроны имеют отрицательный ТКН. В p-n переходах высоковольтных стабилитронов, которые выполняются из высокоомных полупроводников, происходит пробой за счет ударной ионизации и U пробоя растет с повышением температуры, т.к. тепловые колебания решетки уменьшают длину свободного пробега носителей заряда и для того, чтобы они приобрели кинетическую энергию, нужную для ионизации валентных связей, надо повысить напряженность поля перехода.

Для высокоомных стабилитронов ТКН — положителен.

где U— напряжение на диоде,

T— температура.

2.6 Варикапы.

Действие варикапов основано на использовании емкостных свойств р-п перехода.

Обычно используется зависимость величины барьерной емкости от напряжения в области обратных напряжений. В общем виде зависимость величины зарядной емкости от напряжения имеет вид;

где А — постоянная,

— высота потенциального барьера,

U — внешнее напряжение,

— для резких переходов,

— для плавных переходов.

Эта зависимость изображена на рис.2.5, где сплошной линией показана характеристика плавного перехода, а пунктирной — резкого перехода.

Варикапы могут быть использованы для различных целей как конденсаторы с переменной емкостью. Иногда их используют в параметрических усилителях. В принципе работы параметрического усилителя лежит частичная компенсация потерь в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности L и конденсатора C, при периодическом изменении емкости конденсатора или индуктивности катушки (при условии, что изменение будет происходить в определенных количественных и фазовых соотношениях с частотой колебаний контура). В этом случае увеличение мощности электрических колебаний (сигнала) происходит за счет энергии того источника, который будет периодически изменять величину реактивного параметра. В качестве такого переменного реактивного параметра и используется варикап, емкость которого меняется в результате воздействия гармонического напряжения подаваемого от специального генератора накачки. Если с помощью варикапа и генератора накачки полностью скомпенсировать все потери контура, т.е. довести его до состояния самовозбуждения, то такая система носит название параметрического генератора.

Очевидно, что в качестве управляемой емкости может работать любой полупроводниковый диод, при условии, что величина его зарядной емкости достаточно велика. К специальным параметрическим диодам, работающим в параметрических усилителях на высоких и сверхвысоких частотах, предъявляются повышенные требования : они должны обладать сильной зависимостью емкости от напряжения и малым значением сопротивлением базы для повышения максимальной рабочей частоты.

[2] рабочей точкой называется точка на характеристике прибора, определяющая постоянное значение тока, протекающего через прибор, и постоянное значение напряжения

Сайт ориентирован на работу в INTERNET EXPLORER 4.0 и выше.
Разрешение 800х600 и больше. Используйте кнопку F11

©, Центр телекоммуникационных технологий, авторы, 2002
webmasters: Р.Романов Г.Сидоров e-mail: physics@tspu.tula.ru

Полупроводниковый диод

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник «n» типа и полупроводник «p» типа.

Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник «n» типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник «p» типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

• Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.
• Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

• U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
• U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит). Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком «max». Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Принцип работы и сферы применения полупроводниковых диодов

Полупроводниковый диод является специальным устройством с одним р-n переходом, а также анодным и катодным выводом, которое предназначается для всевозможного изменения электрического сигнала. В большинстве случаев элемент изготовляется из кремния, хотя иногда используются и другие полупроводниковые материалы. Среди основных компонентов прибора — кристаллическая часть с р-n переходом.

Общая информация

Следует отметить, что современные полупроводниковые диоды создаются на основе германия или селена, как и более ста лет назад. Эти материалы обладают специфической структурой, которая позволяет применять элементы для модернизации схем и электроприборов, а также проводить преобразование разных токов.

В мире существуют разные типы таких изобретений, которые отличаются материалом изготовления, принципом действия и сферами применения. Особым спросом пользуются плоскостные и поликристаллические выпрямители, представляющие собой аналоги мостов. Они взаимодействуют посредством двух контактов.

Что касается плюсов приборов, то к ним следует отнести:

1. Полную взаимозаменяемость. Вышедший из строя элемент можно заменить любым другим с такими же свойствами и принципом работы. Особых требований к выбору точно такой же модели нет.
2. Высокую пропускную способность.
3. Дешевизну и доступность. Продаются полупроводниковые диоды в каждом магазине с электротехническими товарами. Стоимость такой продукции составляет от 50 рублей. К тому же их можно изъять своими руками из схем старых устройств.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

Аноды с положительным зарядом воздействуют на электроны и притягивают их, а образованное поле выступает в качестве катализатора такой реакции. Также в этот момент формируется эмиссионный ток.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Устройство и конструкция

Разобравшись с принципом работы полупроводникового диода, можно начать изучать его устройство и конструкцию. Эти сведения понадобятся для дальнейшего использования диода и более глубокого понимания его рабочих свойств. В основе элемента лежат такие составляющие:

1. Внешняя оболочка. В качестве корпуса используется небольшой баллон. Он полностью вакуумный и может быть стеклянным, металлическим или изготовленным из керамики.
2. Внутри конструкции находится два электрода. Первый используется в качестве катода с накалом, обеспечивающим стабильную эмиссию электронов. В самом простом исполнении он являет собой нить с минимальной толщиной, способную накаливаться по мере подачи тока. Но в настоящее время активно распространяются модели косвенного накала. В отличие от классических типов они представлены в виде небольших цилиндров со специфическим слоем, где происходит испускание электронов.
3. Что касается второго электрода, то он является анодом, принимающим электроны от катода. Элемент обладает плюсовым зарядом и цилиндрической формой. При изготовлении кристалла диода применяется кремний или германий.

Сферы применения и назначение

Сферы применения полупроводниковых диодов очень обширны. Сегодня без них тяжело представить работу большинства электрических приборов, и это неудивительно. Элементы задействуются для изготовления диодных мостов, а также следующих приспособлений:

1. Устройств для защиты приборов от неверной полярности или перегрузок.
2. Переключателей.
3. Систем диодной искрозащиты.

Что касается диодных мостов, то они представляют собой устройство из четырех, шести или двенадцати соединенных диодов (точное количество диодов определяется типом схемы, которая бывает 1-фазной, 3-фазной полумостовой или 3-фазной полномостовой). Система используется в качестве выпрямителя и зачастую устанавливается в генераторах автомобилей. Дело в том, что применение такого моста позволило существенно уменьшить устройство и сделать его более надежным.

Диодные детекторы состоят из диодов и конденсаторов, что позволяет осуществлять модуляцию с низкими частотами из разных сигналов, включая амплитудно-модулированный радиосигнал. Устройства незаменимы для функционирования различных бытовых приборов, например, телевизор или радиоприемник. Также с помощью полупроводниковых диодов можно обеспечить полноценную защиту от нарушения полярности при запуске съемных входов и перегрузках.

Задача переключателей на основе диодов заключается в коммутации высокочастотных сигналов. Для управления схемой используется постоянный электроток, разделение частот и подача сигнала к конденсаторам. Также на основе диодов создается мощная искрозащита, предотвращающая перегрузки и отклонения от допустимого предела напряжения.

Без применения диодов в современной электронике практически не обойтись. Поэтому очень полезно знать, как устроены, как работают и для чего предназначаются столь распространенные устройства.

Способы включения

На r-n переход воздействуют внешние напряжения, а также величина и полярность, которые влияют на конечные показатели электрического тока. При использовании прямого включения положительно заряженный проводник подключается к области р-типа, а отрицательный полюс к области n-типа. В таком случае события будут развиваться следующим образом:

1. Из-за подающего внешнего напряжения в переходе r-n-типа произойдет образование электрического поля, которое будет направлено в противоположную сторону от диффузионного поля внутри.
2. После этого показатели напряжения поля заметно упадут, что сузит запирающий слой.
3. Дальше большая часть электронов сможет перемещаться из одной области в другую, а затем возвращаться обратно.
4. Параметры дрейфующего тока останутся неизменными, так как на них влияет лишь количество заряженных носителей в области r-n.

При росте обратного напряжения ток будет достигать наивысших показателей и перейдет в следующую стадию — насыщение. По мере повышения температуры растут параметры тока насыщения.

Распространенные неисправности

Порой полупроводниковые приборы перестают функционировать, что объясняется естественной амортизацией или завершением установленного эксплуатационного срока. Существуют и другие типы неисправностей, к которым следует отнести:

1. Пробой перехода. При таком явлении полупроводник становится обычным проводником, который не имеет установленных свойств и не удерживает электрический ток в установленном направлении. Решить проблему можно с помощью стандартного мультиметра, подающего звуковой сигнал и определяющего уровень сопротивления.
2. Обрыв перехода. Представляет собой обратный процесс, в результате которого прибор превращается в изолятор. Электрический ток в таком случае пропускается только в одном направлении. Чтобы определить место обрыва, необходимо задействовать тестер с работающими щупами. Если эти элементы недостаточно качественные, то провести точную и правильную диагностику не удастся.
3. Нарушение герметичности. Любая утечка является серьезной угрозой для нормальной работы полупроводниковых приборов.

Типы пробоев

Существует несколько типов пробоев, которые происходят при росте показателей обратного тока. К ним относятся:

1. Тепловые пробои.
2. Электрические пробои.

Первая опасность происходит при несбалансированной работе теплоотводящего элемента или при перегреве r-n-перехода из-за воздействия чрезмерно высоких показателей тока. Проблема теплового пробоя может привести к массе неприятных последствий, включая:

1. Рост колебания атомов из состава кристалла.
2. Взаимодействие электронов с проводимой областью.
3. Стремительный рост температурных показателей.
4. Деформационные процессы в структуре кристаллов.
5. Полное повреждение радиокомпонента.

Что касается электрического пробоя, то его нельзя назвать необратимым процессом, ведь при такой неприятности кристалл остается работоспособным. Поэтому вовремя принятые меры позволят сохранить диод от разрушения, а также продлить срок его службы.

В зависимости от типа электрические пробои бывают туннельными и лавинными. В первом случае неприятность развивается из-за прохождения чрезмерно высокого напряжения через узкие переходы, в результате чего электроны свободно проскакивают сквозь пробой. Образуются такие дефекты при появлении в молекулах большого количества примесей. Явление вызывает рост обратного тока и снижение напряжения.

Что касается лавинных пробоев, то они случаются из-за воздействия сильных полей, которые разгоняют носитель до пиковых показателей, а затем вышибают из атомов массу валентных электронов. Из-за этого электроны попадают в проводимую область, теряя свои свойства. Специфическое поведение, напоминающее по характеру схождение лавины, стало называться лавинным пробоем.

Без сомнений, современные электроприборы и различные радиотехнические изобретения не могут полноценно функционировать без полупроводниковых диодов. И чтобы продлить срок службы бытовой техники с этими элементами, необходимо знать о принципе их работы, основных неисправностях и способах борьбы с ними.

Работа полупроводникового диода

Работа полупроводникового диода зависит от условий окружающей среды. Так, электропроводность полупроводников получается достаточно высокой при температурах 50—60° С, так как с повышением температуры увеличиваются тепловые колебания электронов основного полупроводника и примеси. Часть электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления связей с ядрами атомов. Атомы примеси отдают все свои носители зарядов быстрее и при меньшей температуре, чем атомы основного полупроводника. Поэтому при высоких температурах увеличение тока через n — р-переход определяется главным образом ростом электропроводимости основного полупроводника, а не примеси.

На рис. 76 штрих-пунктиром показана вольт-амперная характеристика диода при более высокой температуре окружающей среды. Из графика видно, что по мере повышения температуры увеличивается как прямой ток диода, так и обратный, а напряжение U обр.макс снижается. Это объясняется тем, что собственная электропроводность полупроводника определяется равным количеством электронов и дырок, движущихся в противоположных направлениях. Различие концентраций носителей зарядов в материалах р- и n-типа уменьшается, исчезает и контактная разность потенциалов. Поэтому полупроводниковый диод с повышением температуры ухудшает свои выпрямляющие (вентильные) свойства.

Германиевые полупроводниковые диоды работают при температурах до +70÷ +80° С, кремниевые диоды могут работать при более высоких температурах, доходящих до +140÷ + 150° C.

Существенным недостатком полупроводникового диода является зависимость его работы от частоты приложенного напряжения.

Ранее было установлено, что электрическое поле контакта Ек смещает электроны и дырки в соответствующих направлениях, образуя своеобразный «барьер», ограничивающий перемещение зарядов. Область перехода оказывается обедненной подвижными носителями зарядов. Она как бы играет роль диэлектрика некоторого конденсатора, обкладками которого служат слои р и n. Емкость этого «конденсатора» зависит от величины приложенного обратного напряжения. С увеличением последнего свободные электроны и дырки расходятся на большие расстояния друг от друга, толщина «диэлектрика» конденсатора становится больше, площадь же остается прежней. Поэтому барьерная емкость Сб падает. С увеличением прямого напряжения заряды смещаются друг к другу и Сб возрастает.

Диффузия через р — n-переход происходит сравнительно медленно, так как положительные заряды, пришедшие в n-область, притягивают к себе электроны, а электроны, пришедшие в р-область, притягивают к себе дырки. В объеме полупроводника появляется значительное количество связанных зарядов. Такое накопление зарядов эквивалентно некоторой диффузионной, так называемой динамической емкости. Поскольку увеличение прямого напряжения приводит к большему перемещению носителей через переход, то динамическая емкость возрастает. При увеличении обратного напряжения динамическая емкость уменьшается, так как количество связанных зарядов становится меньше.

Эквивалентная схема n — р-перехода представлена на рис. 77 , где r 1 — собственное сопротивление полупроводника; r 2 — сопротивление перехода, зависящее от величины и полярности приложенного напряжения; С соб — = С б + С д — собственная емкость n — р-перехода.

Рис. 77. Эквивалентная схема n—р-перехода.

Барьерная и динамическая емкости зависят от величины и знака переменного напряжения, приложенного к полупроводниковому диоду. Во время отрицательного полупериода переменного напряжения барьерная емкость значительно больше диффузионной, а во время положительного полупериода приложенного напряжения, наоборот, диффузионная емкость много больше барьерной. Поэтому в первом приближении собственную емкость Ссо6 при любом знаке приложенного напряжения можно считать примерно постоянной.

С увеличением частоты напряжения, приложенного к полупроводниковому диоду, сопротивление собственной емкости ХC соб =1/ωС соб падает, обратный ток возрастает (r 2 при этом может быть очень большим) и диод теряет свойство односторонней проводимости. Поэтому на частотах свыше 50 кгц применяют главным образом точечные полупроводниковые диоды, так как у них собственная емкость значительно меньше, чем у плоскостных диодов. Собственная емкость плоскостных полупроводниковых диодов составляет несколько десятков пикофарад. Точечные германиевые диоды имеют собственную емкость порядка 1,5—2 пф, а междуэлектродная емкость кремниевых точечных диодов составляет десятые доли пикофарады. Последнее обстоятельство позволяет использовать кремниевые диоды на более высоких частотах (до 500—600 Мгц), чем германиевые.

Хорошая герметизация n — р-перехода, как правило, обеспечиваемая в полупроводниковых диодах, позволяет использовать их в условиях повышенной влажности.

Монтаж полупроводниковых диодов следует вести при помощи легкоплавкого припоя. В противном случае, вследствие перегрева, диод выйдет из строя. Пайку надо производить быстро, по возможности на большом расстоянии от корпуса прибора, а в качестве пинцета лучше использовать плоскогубцы с медными губками.