Германиевые и кремниевые диоды. Полупроводниковые диоды. Общие характеристики диодов. Прямая ветвь ВАХ
Если входное напряжение изменить на ΔU нест, то ток через стабилитрон получит приращение ΔI ст, а
выходное напряжение . Так как 
подставляя получим:
Выпрямительные диоды - это электронные устройства, которые используются для управления направлением тока в электрической цепи. Двумя широко используемыми материалами для диодов являются германий и кремний. В то время как оба германиевых диода и кремниевые диоды выполняют аналогичные функции, существуют определенные различия между ними, которые необходимо учитывать перед установкой одного или другого в электронную схему.
Конструкция кремниевого диода начинается с очищенного кремния. Силиконовые диоды имеют прямое смещение напряжения 7 вольт. Поскольку кремний является относительно простым и недорогим для получения и обработки, кремниевые диоды более распространены, чем германиевые диоды.
или Отсюда следует, что чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона тем меньше изменение выходного напряжения вызванное изменением входного.
Такой стабилизатор напряжения называется параметрическим.
Параметры стабилитронов
1. -номинальное напряжение стабилизации – падение напряжения на стабилитроне при заданном значении тока. Как у отечественных, так и у зарубежных стабилитронов эта величина лежит в пределах от 2 до 300 В. Низковольтные стабилитроны (от 2 до5 В) изготавливаются на основе сильно легированного кремния и в них имеет место туннельный пробой. В стабилитронах с U ст.ном от 5 до 7 В одновременно имеет место как туннельный, так и лавинный пробой, при U ст.ном выше 10 В основную роль играет лавинный пробой.
Германиевые диоды изготавливаются аналогично кремниевым диодам. Однако германиевые диоды имеют прямое смещение напряжения 3 вольта. Германий - это редкий материал, который обычно встречается с медными, свинцовыми или серебряными отложениями. Из-за своей редкости германий стоит дороже в работе, что затрудняет поиск германиевых диодов, чем кремниевые диоды.
Плоскостные и точечные диоды
Гермиевые диоды лучше всего использовать в маломощных электрических цепях. Нижнее напряжение прямого смещения приводит к меньшим потерям мощности и позволяет электричеству более эффективно электрически. Гермиевые диоды также подходят для прецизионных цепей, где колебания напряжения должны быть сведены к минимуму. Однако германиевые диоды повреждены более легко, чем кремниевые диоды.
2. и -соответственно минимальный и максимальный ток стабилизации. Минимальный ток стабилизации ограничивается условием существования устойчивого пробоя и имеет порядок единиц – десятков миллиампер. максимальный ток стабилизации ограничен допустимым перегревом
перехода т.е. максимальной мощностью рассеивания 
. У современных стабилитронов I ст.мах лежит в пределах от единиц миллиампер до единиц ампер, а P мах от сотен милливатт до единиц ватт.
Полная вольт – амперная характеристика диода
Кремниевые диоды являются отличными диодами общего назначения и могут использоваться практически во всех электрических цепях, где требуется диод. Кремниевые диоды более долговечны, чем германиевые диоды, и их намного легче получить. В то время как германиевые диоды подходят для прецизионных цепей, если только не существует специального требования к диоду германия, обычно предпочтительнее использовать кремниевые диоды при изготовлении схемы.
Обмен носителей заряда происходит между кристаллами полупроводника с различной допировкой. Их привлекают положительные носители заряда, дырки или дефектные электроны. Оба полупроводниковых кристалла более не являются электрически нейтральными в области контакта. В неточном состоянии сам процесс диффузии останавливается. Зона пространственного заряда строится в области контакта двух полупроводниковых типов - пограничного слоя.
3. -дифференциальное сопротивление на рабочей ветви ВАХ от десятых долей ом у мощных низковольтных стабилитронов, до сотен ом у высоковольтных. Этот параметр в основном определяется сопротивлением толщи полупроводника за пределами p-n перехода. У наиболее распространённых в употреблении маломощных, низковольтных стабилитронов эта величина лежит в пределах 10-50 ом.
Уровень диффузионного напряжения определяется полупроводниковым материалом и толщиной легирования. В результате диффузионного процесса пограничный слой обедняется свободными носителями заряда и становится высокопрочным барьерным слоем. Силиконовые полупроводники имеют диффузионное напряжение ок. 0, 7 вольт. Он является низкоомным и позволяет течь течь. Полупроводниковый диод действует как механический обратный клапан. Текущий поток может иметь место только в одном направлении и остается заблокированным в направлении устройства.
Диод в прямом направлении
Знак переключения простого полупроводникового диода представляет собой закрытый наконечник стрелки на вертикальной линии. Два электрода обозначены как анод, характеризуемый наконечником стрелы и катодом, следующей вертикальной линией. Направление стрелки, от кончика до линии, указывает техническое направление тока проводящего диода. На следующей диаграмме показаны характеристики различных диодов в полосе пропускания.
4. 
-температурный коэффициент напряжения. Его размерность % / C o .
Величина и знак ТКН зависят от характера пробоя. Туннельный эффект характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный положительным. Наименьший ТКН имеют стабилитроны с номинальным напряжением стабилизации около 5,6В. Для уменьшения ТКН лавинных стабилитронов встречно – последовательно с ними включают один или два обычных диода, которые оказываются смещены в прямом направлении, в то время как сам стабилитрон смещён в обратном. Таким образом достигается компенсация увеличения напряжения на стабилитроне при возрастании температуры, за счет уменьшения напряжения на смещеннном в прямом направлении диоде.
Рядом с напряжением шлюза барьерный слой разрушается, и ток увеличивается с нелинейным курсом. Над пороговым напряжением барьерный слой деградирует, а полупроводник очень низкоомный. Прямой ток быстро растет очень быстро. Чтобы не превышать максимальное значение производителя, ток должен быть ограничен последовательным резистором. Тепло создается при внутреннем сопротивлении проводящих полупроводников, что улучшает его проводимость. Количество свободных носителей заряда в кристалле удваивается в результате образования пар в германиевых диодах, в то время как в кремниевых диодах оно даже утроивается.
Примером таких стабилитронов, которые называются термокомпенсированными служит отечественный стабилитрон Д818, у которого последовательно со стабилитроном включены два компенсационных p-n перехода.
Варикапы
Варикапами, варикондами или параметрическими диодами называют полупроводниковые диоды, используемые в качестве переменной ёмкости, управляемой напряжением. Здесь используется свойство перехода изменять свою барьерную ёмкость при изменении приложенного к нему обратного напряжения. Диффузионная ёмкость для этих целей не используется т.к. она шунтируется малым дифференциальным сопротивлением перехода, смещённого в прямом направлении.
Обратное подключение напряжения к p-n структуре
Без эффективного ограничения тока компонент в конечном итоге уничтожается. Напряжение, необходимое для разрушения барьерного слоя, называется пороговым напряжением или пороговым напряжением. Над напряжением шлюза полупроводниковый диод является низкоомным и проводящим.
Новая система обозначений
Диод работает в прямом направлении или в полосе пропускания. Полупроводниковые диоды не имеют постоянного внутреннего сопротивления. Это зависит от выбранной рабочей точки. В крутом характеристическом диапазоне выше напряжения шлюза постоянное значение сопротивления постоянного тока может быть рассчитано в хорошем приближении по закону Ома. В рабочей точке значение сопротивления рассчитывается из коэффициента напряжения и тока.
Варикапы предназначаются для работы в параметрических усилителях, преобразователях постоянного напряжения в переменное высокой частоты, измерительных усилителях, в качестве элемента настройки высокочастотных контуров.
На рисунках приведены зависимость ёмкости варикапа Д902 от напряжения на нём пример его использования и эквивалентная схема.
Для более точных расчетов или использования диода в специальных цепях должно использоваться дифференциальное сопротивление, также называемое сопротивлением переменного тока. Его можно определить графически на характеристической линии, применив касательную к рабочей точке с помощью треугольника наклона.
Прямая ветвь ВАХ
Если потенциал анода более отрицательный, чем у катода, то диод работает в направлении блокировки. Поток тока уменьшается до минимального остаточного тока, который в 10 раз меньше по сравнению с направлением потока. Он никогда не становится равным нулю, так как в полупроводниковом кристалле всегда несколько примесей образуют свободные носители заряда. Оба могут беспрепятственно пропускать барьер и вызывать блокирующий ток.
Конденсатор С р служит для того, чтобы постоянное напряжение подаваемое на варикап через сопротивление R 1 не замыкалось через катушку индуктивности колебательного контура L 1 С 1 .
Параметры варикапов
1. -добротность варикапа есть отношение реактивной мощности 
, запасаемой барьерной ёмкостью, к мощности
В случае повышения температуры заметное увеличение блокирующего тока можно измерить, поскольку полупроводники относятся к теплопроводящим проводникам. По сравнению с кремниевыми диодами германиевые диоды имеют более высокие блокирующие токи. Максимальное обратное напряжение германиевых диодов ниже. На диаграмме показана основная полная характеристическая кривая обоих диодов. При прямой работе потенциал анода более положительный, чем у катода.
Диоды с высоким блокирующим напряжением
Над пороговым напряжением диод имеет очень низкое сопротивление и должен соблюдаться максимальный ток. Выпрямительные диоды в технологии с сильным током предназначены для проведения высоких токов и в то же время надежно блокируют большие напряжения. Однако высокая степень легирования, требуемая для этой цели, уменьшает максимальное блокирующее напряжение, поскольку эти полупроводники имеют только узкий барьерный слой. Этот недостаток преодолевается установкой дополнительного полупроводникового слоя.
потерь 
, где φ – угол между напряжением и током.
На низких частотах можно пренебречь R б, тогда Q нч = 2·π·f·R д ·C бар , а на высоких R д, тогда Q нч = (2·π·f·R б ·C бар) -1 . Отсюда видно, что для повышения добротности надо уменьшать сопротивление базы.
В транзитной операции этот промежуточный слой затем затопляется носителями заряда с обеих сторон и, следовательно, является низкоомным. Как и в случае пдп-диодов электронов и дырок, электроны дефектов затопляются с обеих сторон в прямом направлении, становясь, таким образом, низкоомными. Ограничения, указанные производителями в технических паспортах, должны строго соблюдаться. Если отдельные значения не достигнуты в рабочем состоянии, это не влияет на другие предельные значения. В случае несоблюдения компонент уничтожается.
До этого максимального напряжения постоянного тока диод остается обратным-омным в обратном или блокирующем режиме. Кремниевые диоды позволяют блокировать напряжения до 4 кВ. Значение представляет собой максимальное периодическое пиковое значение переменного напряжения в направлении блокировки при рабочей частоте более 20 Гц.
2. -номинальная ёмкость при заданных: обратном напряжении, частоте и температуре.
3. -коэффициент перекрытия по емкости.
4. 
-температурный коэффициент емкости.
5. -допустимое обратное напряжение.
6. -максимальный обратный ток.
7. -рабочий диапазон температур.
Значение указывает максимально допустимый ток постоянного или среднеквадратичного тока, через который диод не разрушается в полосе пропускания. Он указывается в прямом направлении для рабочей частоты более 20 Гц с синусоидальной нагрузкой. Это значение также применяется к прямоугольным сигналам с рабочим циклом 0.
Это максимальная непрерывная мощность, которая не разрушает полупроводник. Он рассчитывается из произведения напряжения на диоде и тока через диод. По сравнению с германиевыми диодами кремниевые диоды допускают более высокие потери мощности. Полупроводниковый кристалл можно нагревать до этой максимальной температуры без постоянного повреждения. Самая высокая температура корпуса компонента ниже, так как тепло от кристалла должно транспортироваться наружу.
Импульсные диоды
Это диоды, которые предназначены для работы в импульсных схемах: широкополосных ограничителях, элементах цифровых вычислительных машин, ключевых устройствах, формирователях коротких импульсов и т.д. В таких схемах напряжения и токи могут меняться скачкообразно. При этом приходится учитывать инерционность процессов накопления и рассасывания зарядов на границах p-n перехода.
Если не соблюдаются следующие важные характеристики, схема может иметь неожиданные характеристики. Силиконовые диоды имеют наименьшие блокирующие токи. Десять импульсов хуже германиевых диодов. Еще более высокие барьерные токи имеют клетки селена. Если диод заблокирован, зону пространственного заряда барьерного слоя можно сравнить с электрическим потенциалом заряженного пластинчатого конденсатора.
Различают разные времена переключения. Время обратного времени восстановления или время обратной задержки указывает, сколько времени требуется, чтобы проводящий диод попал в заблокированное состояние. Только тогда может образоваться барьерный слой. Время, требуемое для этого, называется временем отключения.
Рассмотрим два наиболее часто встречающихся на практике режима.
1. Прохождения прямоугольного импульса прямого тока через диод.
2. Переключение диода из открытого состояния в закрытое (переключение с прямого напряжения на обратное).
В особых случаях потери мощности также должны учитываться в этом случае, если диод ненадолго входит в состояние обратной проводки. Специальные переключающие диоды характеризуются особенно короткими временами переключения. Время обратной задержки определяет верхнюю частоту, при которой диод все еще работает, как ожидалось. Входной сигнал один раз является синусоидальным напряжением, а другой - напряжением прямоугольной волны с пиковым значением 15 В на частоте 50 кГц. Диод переключается как односторонний выпрямитель, а выходное напряжение измеряется при сопротивлении нагрузки 1 кОм. 
Считая, что E>>U д имеем I пр.и = E / R . Вследствие инерционности процессов диффузии стационарное распределение концентрации неосновных неравновесных носителей заряда в базе диода, соответствующее току I пр.и, не может установиться мгновенно. В области базы, примыкающей к p-n переходу, концентрация дырок устанавливается быстрее, чем глубине базы. Следовательно сопротивление 
базы в её глубине вначале велико, а по мере повышения концентрации дырок сопротивление базы понижается. Поэтому напряжение на p-n переходе устанавливается быстрее, чем на базе. Согласно рисункам p-n переход обладает ёмкостной реакцией, а область базы – индуктивной. Разница между U б (t вкл) и U б (∞) будет тем больше, чембольше величина прямого тока. Поэтому форма напряжения на диоде U(t) = U p - n (t) + U б (t) будет зависеть от величины I пр.и. При больших токах определяющими являются процессы в базе диода и реакция на перепад тока носит индуктивный характер(кр. 1). При малых токах, когда U б (t)<
Процесс установления напряжения на диоде характеризуется двумя параметрами:
1.R и.макс = U пр.и.макс / I пр.и –прямое импульсное сопротивление диода. 2. t пр.уст –время установления прямого сопротивления диода – интервал времени от начала включения импульса прямого тока до момента достижения напряжением на диоде значения 1,1·U пр.
Диод работает в прямом режиме, а выходное напряжение соответствует входному напряжению. Это состояние достигается только через 5 мкс. Затем блокируется зона блокировки, и диод становится непроводящим. В отмеченной желтой областью допустимая мощность рассеивания диода может быть очень быстро превышена.
Диод является дискретным компонентом, который позволяет в прямом направлении протекать между его терминалами, блокируя его в противоположном направлении. Активными компонентами являются те, которые способны возбуждать цепи или реализовывать выгоды или управлять ими. В основном это электрические генераторы и некоторые компоненты полупроводника. Последние, как правило, имеют нелинейное поведение, то есть зависимость между приложенным напряжением и током течения не является линейной, как в резисторе, конденсаторе или индукторе.
При выключении источника прямого тока происходит процесс рассасывания накопленных в базе неравновесных носителей заряда как вследствие их рекомбинации, так и в результате их ухода во внешнюю цепь, если она имеется. В момент выключения тока наблюдается скачок напряжения на диоде U б (t выкл), вызванный изменением падения напряжения в базе диода. В течение всего времени пока на границе перехода имеется неравновесная концентрация заряда, его можно рассматривать как заряженную ёмкость или генератор послеинжекционной э.д.с. Если R н = ∞, то спад послеинжекционной э.д.с. происходит в результате только рекомбинации. В противном случае ещё и за счёт протекания тока через R н, причем вначале, пока избыточная концентрация велика, скорость спада определяется высокой скоростью рекомбинации, а не сопротивлением R н. Форма напряжения на диоде при протекании через него прямого импульса тока приведена на рисунке.
Переключение диода с прямого напряжения на обратное .
Резистор R1 и источник E1 определяют величину прямого тока через диод, а R1 и E2 величину обратного тока.
Резистор R2 служит датчиком тока, т.е. его сопротивление выбирается настолько малым, что падением напряжения на нём можно пренебречь по сравнению с любыми другими падениями напряжения в схеме. В момент переключения ток через диод меняет направление на противоположное, дырки на границе перехода начинают втягиваться полем перехода в p-область и обратный ток, за счёт избыточной концентрации
дырок в базе диода, может скачком достичь большого значения. Так как инжекции больше нет, этот избыточный заряд в базе будет убывать как вследствие протекания обратного тока, так и в результате рекомбинации. В течении промежутка времени t 1 , пока напряжение на переходе, обусловленное неравновесным градиентом концентрации, остаётся положительным, величина обратного тока остаётся неизменной и определяется сопротивлением R 1: I 2 = E обр / R 1 . Эта фаза переключения (t 1) называется фазой высокой обратной проводимости и длится она пока граничная, избыточная концентрация не достигнет равновесной. Для плоскостных импульсных диодов 
если и 
если .
Вторая фаза (промежуток времени t 2) обусловлена рекомбинацией избыточного заряда в глубине базы, концентрация которого стремится к равновесной. В течении этой фазы обратный ток монотонно спадает до величины нормального обратного тока диода I 0 .
У плоскостных диодов . Параметрами, характеризующими импульсные диоды, являются все параметры высокочастотных диодов, приведённые выше параметры- R и.макс и t пр.уст, а также параметр t восс = t 1 + t 2 .
Диод с накоплением заряда
Это разновидность импульсных диодов, специально спроектированных для формирования коротких импульсов. Неравномерным распределением примесей в базе диода создаётся ускоряющее, либо
тормозящее поле, способствующее перераспределению инжектированного заряда в области базы.
Ускоряющее поле как бы оттягивает дырки от границы перехода, снижая граничную концентрацию, а тормозящее поле поджимает дырки к переходу, повышая их граничную концентрацию. Так как длительность первой фазы формирования обратного тока определяется временем спада граничной концентрации до равновесной, можно создавать диоды с заданной длительностью фазы высокой обратной проводимости.
Туннельный диод
Увеличением концентрации примесей в обоих полупроводниках можно добиться туннельного эффекта даже при равновесном состоянии p-n перехода. Уровень Ферми в этом случае лежит внутри разрешённых зон на расстоянии ≈3φ T от их границ. Напротив валентной зоны p-области располагаются уровни зоны проводимости n-области. Такое слияние зон происходит при некоторой критической концентрации примесей. Например для германия эта величина составляет 2·10 25 м -3 , а для кремния 6·10 25 м -3 , т.к. ширина запрещённой зоны у него больше.
При нулевом смещении перехода При небольших смещениях, как в прямом так и в обратном направлении через переход протекает туннельный ток электронов, величина которого зависит от приложенного напряжения. Обратный туннельный ток при этом может достигать весьма больших значений.
При увеличении прямого смещения прямой ток растёт за счёт увеличения прямого напряжения, затем рост тока замедляется из-за уменьшения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости смежных полупроводников. В точке максимума ВАХ увеличение прямого тока за счет увеличения прямого напряжения компенсируется его уменьшением вследствие сужения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости. Отметим, что наряду с туннельным током, при прямом смещении, через переход протекает и диффузионный ток, однако его доля в прямом токе диода при небольших смещениях ещё невелика. Дальнейшее увеличение прямого смещения приводит к уменьшению
прямого тока т.к. сужение области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости начинает влиять на величину тока в более значительной степени, нежели увеличение прямого напряжения.
Туннельный ток, при дальнейшем увеличении прямого напряжения, стремится к нулю, а диффузионный ток начинает расти. Этим обусловлен минимум тока на ВАХ, которая по мере дальнейшего увеличения прямого напряжения переходит в ВАХ обычного диода. Приборы, имеющие ВАХ подобную ВАХ туннельного диода называют приборами с N-образной ВАХ.
История возникновения диода
Возникновение диода обязано ученому из Великобритании Фредерику Гутри и немецкому физику Карлу Фердинанду Брауну. В 1873 и 1874 годах они открыли принцип работы термионных диодов и принцип работы кристаллических диодов. Позже термионными диодами стали называть специализированные вакуумные лампы. В начале 1880 года Томас Эдиссон повторно задокументировал работу термионного диода, но развитие этого радиоэлектронного компонента произошло только через 9 лет, когда немецкий ученый Карл Браун показал действие выпрямителя на кристалле. В начале 20 века Гринлиф Пикард предъявил публике первый радиоприемник, в основе которого был положены свойства диода реагировать на электромагнитные колебания. Промышленный выпуск диодов термионного типа (ламповых диодов) был налажен в Британии с разрешения Джона Флеминга в 1904 году, а через 2 года американец Пикард запатентовал первый детектор из кристаллов кремния. Современную терминологию слова «диод» (от греч. «di» - два, «odos» - путь) ввел Вильям Генри Иклс в 1919 году. В СССР главную роль в развитии полупроводниковых компонентов сыграл физик Б. М. Вул.
Первое развитие получили ламповые диоды или кенотроны (электровакуумные диоды), а так же газонаполненные диоды (газотроны, стабилитроны, игнитроны). Однако основной вклад в развитие радиоэлектронных компонентов внесли полупроводниковые диоды на основе кремния и германия.
Физические основы работы диода
Открытый в 1882 году химический элемент «германий» Клеменсом Винклером в процессе изучения в электричестве позволил выявить эффект полупроводника тока. Эксперименты физиков для получения одностороннего проводника тока привели к такому результату, что если к германию присоединить акцепторную примесь (барий, алюминий, галлий или индий), способную захватывать электроны, накопленные в германии, то в результате получится электронный элемент, способный пропускать электроны только в одну сторону (от германия к акцепторной смеси). Как мы знаем, электрон – это отрицательно заряженная частица, притягивающаяся к положительной частице, однако в электронике принято обозначение перемещения тока от плюса к минусу. Таким образом, диод представляет собой смесь германия или кремния с акцепторным материалом.
Германий, за счет накопленных электронов несет в себе отрицательный N заряд (N - negative), а акцепторная смесь насыщается положительными P ионами (P - positive).
Процесс протекания тока из P области в N область через место «соединения» или p-n переход и есть принцип работы диода. Его особенностью является возможность протекания тока только в одном направлении, поэтому диод является однонаправленным полупроводником. Отрицательно заряженную сторону с германием принято называть «катодом», а положительно заряженную половину «анодом». На схемах диод обозначается в виде направления протекания тока в виде стрелки к отрицательно заряженной стороне.
Когда диод не подключен к источнику питания, p-n переход находится в состоянии покоя. И в результате притягивания электронов к положительным ионам происходит их дрейф через переход. Такой процесс называется «диффузией», предусматривающий притягивание электронов через переход к «дыркам» положительных ионов. Диффузионное движение из-за постоянно меняющейся концентрации ионов и электронов происходит возле перехода постоянно.
При подключении к p-n структуре внешнего источника напряжения или напряжения смещения происходит изменение условий переноса заряда через переход. Важным фактором здесь становится полярность внешнего напряжения, подключенного к аноду и катоду диода.
Прямое подключение напряжения к p-n структуре
При прямом включении диода, когда плюс источника питания подключен к p-области, а минус к n-области происходит прямое протекание тока через переход. При этом электроны, находящиеся в n-области за счет подключенного минуса источника питания будут передвигаться ближе к переходу. Собственно, с положительно заряженными частицами в p-области будет происходить то же эффект. В результате p-n переход будет заполняться электронами в «дырках» (положительных ионах). Возникнет электрическое поле, которое позволит свободным электронам преодолеть сопротивление перехода, пройти барьерную зону и p-область к положительному контакту источника питания. В данной цепи возникнет электрический ток, который называют прямым током смещения перехода. Величина этого тока будет ограничена техническими характеристиками диода.
Момент, когда создается электрическое поле в p-n переходе на положительной ветви Вольт - Амперной Характеристики диода (ВАХ) отмечен некоторым напряжением ∆Ua. Это напряжение определено не только силой тока, но и сопротивлением самого p-n перехода. Чем ниже это сопротивление, тем меньше необходимо энергии для того, чтобы открыть переход, а так же его закрыть. Отступив от темы статьи, стоит сказать, что энергия в переходе при исчезновении питания моментально не пропадает. Происходит эффект рассасывания заряда, обусловленный емкостью перехода. Чем ниже эта емкость, тем быстрее диод перейдет в «выключенное» состояние с успокоением всех переходных процессов в p-n переходе. Этот параметр очень важен в частотных диодах, о которых мы расскажем ниже. В современных диодах значения напряжения ∆Ua варьируется от 0,3 до 1,2 вольта (кремний 0,8 – 1,2В., германий 0,3 – 0,6В.) в зависимости от мощности диода. Так же его называют падением напряжения p-n перехода.
Обратное подключение напряжения к p-n структуре
При подключении к диоду питания в обратном направлении происходит увеличение сопротивление p-n перехода и барьер возрастает, вследствие того, что электронам в n-области и свободным ионам в p-области легче соединиться с зарядом источника питания. При увеличении напряжения питания происходит лавинообразный отток заряженных частиц от перехода. В результате диод переходит в закрытое состояние из-за обратного напряжения.
На обратной ветви ВАХ участок 0 – 1 обусловлен небольшим обратным напряжением. При этом
увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей. Другими словами в p и n областях присутствуют неосновные носители. Даже когда диод закрыт, через барьер при малом напряжении они могут протекать из одной области в другую. Значение этого тока несоизмеримо мало по сравнению с прямым током, поскольку количество неосновных носителей в разных областях p и n минимально. Начиная с точки 1 основные носители уже не способны преодолеть барьер, а диффузионные неосновные носители полностью рассасываются в свои области переходов. Этим объясняется отсутствие роста тока при увеличении обратного напряжения. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда зависит от температуры сплава (иначе «кристалла»), то обратный ток будет увеличиваться в зависимости от увеличения температуры кристалла. Именно поэтому его называют тепловым. Это лавинообразный процесс и он подчиняется экспотенциальному закону. Именно из-за обратных токов диоды начинают греться и их устанавливают на теплоотводы. Если значение обратного тока будет выше предусмотренного диодом, то начнется неконтролируемый процесс так называемого теплового пробоя, после которого следует электрический пробой, приводящий диод в негодность. Стабильная работа кремниевых диодов возможна при температуре 130 – 135 градусов. Разрушение кристалла германиевых диодов происходит при температуре 50 – 60 градусов.
Полная вольт – амперная характеристика диода
Вольт – амперная характеристика отображает зависимость протекающего через диод тока от величины приложенного прямого и обратного напряжения. Чем круче и ближе к оси Y прямая ветвь и ближе к оси X его обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода.
При несоизмеримо большом обратном напряжении у диода наступает электрический пробой. При этом резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода возможна в том случае, если приложенное к нему обратное напряжение не превышает максимально допустимое, называемое пробивным напряжением. Как мы уже писали, токи диодов зависят от температуры кристалла. На каждый градус падение напряжения на p-n переходе изменяется на 2мВ. Если температура кристалла растет вверх, то обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, у кремниевых диодов обратный ток растет в 2,5 раза на каждые 10 градусов. При этом пробивное напряжение при увеличении температуры понижается.
Конструктивное исполнение диодов
По технологическому исполнению диоды могут быть плоскостные и точечные. P-n переход плоскостных диодов (на рисунке б – плоскостной сплавной диод) выполняется на границе двух слоев в полупроводнике. Слои имеют электропроводимость разных типов. За счет большей площади перехода плоскостные диоды могут пропускать большие токи через себя. Их недостатком является большая переходная емкость, что ограничивает применение плоскостных диодов в высокочастотной технике. Однако, есть гибридные диоды, сочетающие в себе и малую емкость, и малое переходное сопротивление, и возможность пропускать большие токи. Примером может быть отечественный диод КД213.
У точечных диодов p-n переход изготовляется в месте контакта полупроводниковой пластины с острием металлической иглы. Современные диоды производят с применением германия, кремния, фосфида и арсенида галлия.
Типы и характеристика диодов
Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды используются для выпрямления переменных токов на частотах, как правило, ниже 50 кГц. Конструктивное исполнение таких диодов преимущественно плоскостное. За счет этого диоды позволяют проводить через себя большие выпрямленные токи. Большей частью материалом изготовления выпрямительных диодов является кремний за счет устойчивости к температурным изменениям. Основными параметрами, определяющими характеристику диода, являются:
Uпр. – постоянное прямое напряжение на диоде при заданном постоянном прямом токе.
Uобр. – постоянное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении.
Iпр. – постоянный ток, протекающий через диод при подключении в прямом направлении.
Iобр. – постоянный ток, протекающий через диод, включенный в обратном направлении.
Iпр.ср. – прямой ток, усредненный за период.
Iобр.ср. – обратный ток, усредненный за период.
Rдиф. – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.
Кроме того, всех типов существуют ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ, определяющие их максимальные технические возможности, к которым относятся:
Uобр.max – максимальное напряжение, приложенное при обратном включении диода.
Iпр.max – максимально допустимый постоянный прямой ток (один из важнейших параметров).
Iпр.ср.max – максимально допустимый средний прямой ток.
Iвп.ср.max – максимально допустимый средний выпрямленный ток.
К дополнительным параметрам относится интервал рабочих температур.
Выпрямительные диоды широко применены в электронной схемотехнике. На их основе нередко можно встретить диодные мосты для изменения формы тока из переменного в постоянный.
Современное развитие электроники невозможно без применения высокочастотных диодов.
Высокочастотные диоды
Данные диоды используются в широком диапазоне частот вплоть до нескольких сотен мегагерц и выше. Чаще всего их применяют для модуляции и детектирования, а так же в высокочастотных радиоцепях. В качестве высокочастотных диодов используются элементы, выполненные в точечном исполнении из-за малой емкости перехода.
Для таких диодов дополнительно важны две характеристики, это максимальная рабочая частота в МГц и емкость диода в пФ.
Импульсные диоды
Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсных сигналов. В силовой схемотехнике мощные импульсные диоды могут работать в качестве выпрямителей. Примером может служить импульсный блок питания, где они используются во вторичной цепи после импульсного трансформатора. Так же импульсные диоды применяют в телевизионной технике (детекторах видеосигналов), в ключевых и логических устройствах. Различают двух и трех электродные импульсные диоды (спаренные). Трех электродные диоды могут быть с общим анодом или с общим катодом. Для импульсных диодов свойственны следующие дополнительные характеристики:
Uпр.и – пиковое прямое напряжение при заданном импульсе тока.
Uобр.и – соответственно, обратное напряжение в пике как однократное, так и периодически повторяющееся.
Сд – общая емкость диода при заданных напряжениях и частоте. Большой параметр Сд снижает частотные свойства диода. Так же от значения Сд напрямую зависит следующий параметр.
τ вос – время восстановления с момента окончания импульса тока в состояние заданного обратного запирающего напряжения (окончание переходных процессов рассасывания заряда в p-n переходе)
Qпк – часть накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при реверсивном изменении тока с прямого значения на обратное.
Одним из основных параметров диодов Шотки является
Iпр.и max – максимально допустимый ИМПУЛЬСНЫЙ прямой ток.
Стабилитроны и стабисторы
Данный тип диодов необходим в цепях стабилизации напряжения при изменении проходящего через диод тока. Его основными характеристиками является:
Uст - напряжение стабилизации.
Iст. max и Iст. min – максимальный и минимальный ток стабилизации.
Pmax – максимально допустимая рассеиваемая мощность.
Для стабилитронов рабочим является пробойный участок ВАХ. На рисунке он отмечен расстоянием между точками Iст.min и Iст.max. На этом участке напряжение на стабилитроне остается постоянным при существенном изменении значения тока. Для стабисторов рабочим является прямой участок ВАХ. Так же существуют двуханодные стабилитроны, включающие в себя два встречно включенных p-n перехода. Каждый из этих переходов является основным при изменении полярности его подключения.
Варикап
Специальный полупроводниковый диод. Его емкость p-n перехода изменяется в значительных пределах в зависимости от приложенного к нему обратного напряжения. В случае увеличения обратного напряжения, емкость перехода уменьшается и наоборот. Варикапы активно применяются в гетеродинах (радиоблоках, где необходима регулировка частоты). К примеру, варикап довольно часто можно встретить в FM – радиоприемниках. К основным характеристикам варикапа относятся:
Сн – измеренная емкость при заданном напряжении.
Кс – соотношение емкостей при минимальном и максимально допустимом напряжении.
Iобр – максимальный ток, протекающий через варикап в обратном напрявлении. (ток утечки).
Туннельный диод
Туннельный диод используется в высокочастотных усилителях и генераторах электрических колебаний (например телевизионных усилителях). Кроме того его применяют в различных импульсных устройствах. Его особенностью является участок А-В с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяющим отношение между изменением напряжения к приращению тока. К его дополнительным параметрам относятся:
Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором приращение тока к напряжению равняется 0.
Lд – индуктивность диода, препятствующая прохождению высокочастотного сигнала.
Кш – шумовая составляющая диода.
Rп – сопротивление потерь туннельного диода.
Диод Шоттки
Популярный диод в радиотехнике за счет малого шума и высокого быстродействия. Его относят к подвиду импульсных диодов. Технологически диод Шоттки выполняется из структуры металл-полупроводник. Применение диодов с барьером Шоттки самое разнообразное, от ATX блоков питания ПК, до СВЧ устройств. Переход диода Шоттки выполнен по принципу p-i-n, где в качестве i выступает высокоомный слаболегированный полупроводник. Под действием напряжения изменяются его частотные характеристики, что позволяет использовать диод в схемах управления сигналами, например аттеньюаторах, ограничителях уровня, модуляторах. Мощные диоды Шоттки могут использоваться в качестве выпрямительных радиоэлементов частотных блоков питания.
Светодиод
Специальный тип диода, который может создавать некогенерентное излучение (испускание видимых фотонов света атомами p-n перехода). В зависимости от количества легирующего материала изменяют длину спектра. За счет этого светодиоды могут изготавливать разных цветов. Применение светодиода самое широкое: от сигнальных цепей оповещения, до бытового освещения. Кроме того, при использовании специальных материалов изготовления светодиод может излучать в инфракрасном спетре. Это свойство нашло ему применение в пультах дистанционного управления и других электронных устройствах. Современные светодиоды выполняются на большие мощности (до 10Вт.) p-n переход очень чувствителен к токовым изменениям, поэтому для его использования необходим специализированный драйвер, представляющий собой стабилизатор / регулятор тока.
Фотодиод
Часто применяется для приема инфракрасного светового спектра, а так же в цепях гальванической развязки. Кроме того, первые солнечные батареи использовали именно фотодиод. Совместно с излучающими диодами или транзисторами может организовывать единое устройство, называемое оптопарой. Работа фотодиода основана на фотогальваническом эффекте, при котором за счет разделения электронов и дырок в p-n переходе начинает появляться ЭДС. В зависимости от степени освещенности уровень вырабатываемой ЭДС в фотодиоде так же изменяется.
