Лекции / Разновидности полупроводниковых диодов

Разновидности полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды широко применяются в устройствах радиоэлектроники, автоматике, вычислительной технике, силовой преобразовательной технике. Несмотря на широкую номенклатуру, выпускаемые диоды можно классифицировать по физическим эффектам и явлениям, определяющим механизм работы приборов, конструкционнотехнологические особенности и др.

Классификация диодов по назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, материалу находит отражение в условных обозначениях диодов. В основу обозначений и маркировки диодов положен буквенно-цифровой код, отражающий информацию об исходном полупроводниковом материале, подклассе или группе приборов, назначении (параметры или принцип действия, порядковом номере разработки). Условные обозначения включают еще ряд буквенно-цифровых элементов, определяющих классификацию по параметрам диодов (ток, напряжение, быстродействие) и содержащих дополнительную информацию (корпус, размер, диаметр таблетки и т.д.).

По типу исходного материала: кремниевые, Ge, GaAs. Реже используется селен и карбид кремния. Большинство диодов изготовляют на основе кремния.

По конструкционно-технологическим признакам: плоскостные, точечные, микросплавные. Микросплавные и точечные предназначены для диапазона СВЧ и имеют ограниченный выпуск. Диоды изготовляют по диффузионной и сплавной технологии с применением операции эпитаксии и имплантации примесей. Сплавная технология имеет ограниченное применение.

Диоды как класс п/п приборов подразделяются на подклассы: выпрямительные, импульсные, СВЧ, стабилитроны, стабисторы, варикапы, параметрические диоды, Шоттки, туннельные и обращенные, Ганна, ЛПД, светоизлучающие, фотодиоды, магнитодиоды, тензодиоды, п/п лазеры и др.

Система параметров диодов включает большое число параметров. Параметры разделяют на предельные – максимально или минимально допустимые значения – и на рабочие, характеризующие параметры. Допустимые значения – значение, при котором ожидается удовлетворительная работа прибора, а предельные – за пределами которых прибор может быть поврежден или теряет свои качества (например, стабилитрон выходит из режима стабилизации)

Рабочие параметры – это значение электрической, тепловой, механической или другой величины, которые характеризуют определенные свойства прибора.

1

Допустимые значения параметров нельзя измерять. Они часто устанвливаются на основе разрушающих опытов или расчетов. Рабочие (характеризующие) параметры можно измерять непосредственно или косвенно.

Выпрямительные диоды. Они предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Частотные диапазон ограничен сверху – 500Гц-20кГц.

Параметры диода:

- максимально-допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.max - может быть

приложено длительное время без опаски выхода из строя. Обычно

Uобр.max 0.5-0.8Uпробоя .

-максимально допустимый постоянный прямой ток Iпрmax

- постоянное прямое напряжение Uпр при Iпр =Iпрmax

- максимально допустимый постоянный обратный ток Iпрmax при Uобр.max

- верхняя частота.

По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы:

-малой мощности Iпр ≤ 0,3А

-средней 0,3A<I пр <10A

-мощные (силовые) Iпр ≥ 10A

Иногда в справочниках указывают Iпр.ср , Iобр.ср, Iпр.имп , т.е. средние

выпрямленные токи или импульсный прямой ток.

Всостав параметров входит температурный диапазон (-60 +125 о С) и максимальная температура корпуса.

Внастоящее время нормальными считаются прямые токи в 1600А и более, импульсные напряжения от 100 до 4000В. Лавинные выпрямительные диоды имеют предельные токи до 320А и периодические импульсные напряжения до1500В.

Тенденции развития – увеличение I пр , Uобр U пр.имп ограничиваются

физическими возможностями.

Силовые п/п диоды отличаются по классификации и система обозначений. По нагрузочной способности в области пробоя силовые диоды делятся на выпрямительные, лавинные, лавинно-выпрямительные с контролируемым пробоем.

2

ВАХ выпрямительных диодов – типовая ВАХ диода при прямом и обратном включении. Эквивалентная схема выпрямительного диода не отличается от общепринятой (рис.1).

Габариты диода зависят от мощности. Например, для мощных диодов размер кристалла может быть больше 1 см2 в то время как у маломощных в сотни раз меньше.

Для построения блоков питания разработали диодные сборки, позволяющие осуществить различные типы выпрямления и др.

рис.1

ВД, выполненные по эпитаксиальной технологии, имеют малые Uпр и высокое

пробивное напряжение. малое Uпр позволяет пропускать большие токи. Из-за большой площади перехода ВД имеют большую емкость перехода и низкие частотные свойства.

В качестве ВД используют также диоды Шоттки, у которых меньше, чем у ВД U пр и более высокие частотные свойства.

Импульсные диоды – имеют малую длительность переходного процесса и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малой емкостью р-n-перехода и рядом параметров, определяющих переходные характеристики. Уменьшение емкостей диода достигается за счет уменьшения площади перехода. Отсюда значительно меньше мощность (милливатты).

Эквивалентная схема ИД не отличается от схемы ВД. ВАХ также не отличается. Основные параметры:

-емкость диода

-Uпрmax

-Iпр.имп.max Специфические параметры:

-время установления прямого напряжения, т.е. время за которое устанавливается U пр от

подачи импульса на вход. Это время зависит от скорости движения носителей в базе

диода, пока не установится проводимость базы (инжекция и диффузия);

3

- время восстановления обратного сопротивления (по градиенту) : скачек тока – носители устремляются в эмиттер, выброс равен положительному значению тока.

рис.2

U

t

I

I0

tвос

0.1I0 Iобр

При прямом включении (рис.3) скачек затеи спад, т.к. заряжается емкость рис.3

U

t

Uд

t

Диод Шоттки В быстродействующих импульсных целях широко используют диод Шоттки. В его основе лежит контакт металл-полупроводник. В принципе, металлполупроводник дает два типа контактов – выпрямительные и омические.

4

рис.13

I, мА

460о 20о

2

12 U,В

ТКНс отрицательный из-за уменьшения высоты потенциального барьера с температурой, и перераспределения носителей по энергиям – чем больше энергичных носителей, тем больше их может проникнуть через барьер (кинетическая энергия больше) и составляет 2 мВ град (КС113).

Стабистор имеет малое напряжение стабилизации (порядка 0,7В). Увеличивают его путем последовательного соединения 2-3 стабисторов.

Стабистор используют для температурной стабилизации стабилитронов, включая их последовательно.

Отличия от выпрямительных диодов – низкоомный исходный п/п (кремний). Это дает уменьшенное сопротивление базы и, т.о, меньше дифференциальное сопротивление диода. Из-за прямого включения сопротивление базы сильно влияет на rдиф.

Из-за малого удельного сопротивления получается тонкий p-n-переход с низкими пробивными напряжениями.

Нежелательно использовать в обратном включении.

Есть селеновые поликристаллические стабисторы, которые проще в изготовлении и, следовательно, дешевле, но у них меньше температура -25о ..+60.

Варикапы – п/п прибор, основанный на зависимости емкости электроннодырочного перехода от напряжения. Отсюда его применение – управляемая емкость.

Эквивалентная схема изображена на рисунке 14.

8

рис.14

Спер

rпер

-сопротивление потерь – суммарное сопротивление всех элементов эквивалентной схемы - rпотерь

-добротность – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте

Пример использования для перестройки колебательного контура (рис.15) рис.15

-Е

С R1

Д

U

9