§ 2.6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим -переходом и двумя выводами.

В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды, диоды Ганна и т. д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную — базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используют , -переходы, а также переходы металл — полупроводник. Идеализированная вольт-амперная характеристика диода описывается выражением (2.19).

В реальных диодах прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход вольт-амперной характеристики оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих .

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную вольт-амперную характеристику, сложно и нецелесообразно.

Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток , который измеряют при определенном значении обратного напряжения. У германиевых диодов , у кремниевых . Так как значения обратного гока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для теплового тока справедлива зависимость

где — тепловой ток при температуре постоянный коэффициент (для германия при , для кремния при .

С помощью выражения (2.24) можно ориентировочно определять обратный ток при разных температурах -перехода у германиевых диодов. В кремниевых диодах в диапазоне рабочих температур доля теплового тока в полном обратном токе невелика: . У них обратный ток в основном определяется генерационно-рекомбинационными явлениями в -переходе.

Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды можно пользоваться упрощенным выражением

где — приращение температуры, при котором обратный ток удваивается для германия и для кремния).

В практике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в два раза, а кремниевых — в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10 С. При этом фактическое изменение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода отклоняется от идеализированной из-за наличия токов рекомбинации в -переходе, падения напряжения на базе диода, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей заряда и наличия в базе внутреннего поля, возникающего при большом коэффициенте инжекции. С учетом падения напряжения на базе диода запишем уравнение прямой ветви вольт-амперной характеристики диода:

где — омическое сопротивление базы диода.

Рис. 2.12. Вольт-амперные характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов; условное обозначение (в)

Прологарифмировав (2.26), найдем падение напряжения на диоде:

Для малых токов имеет вид

Падение напряжения на диоде U зависит от тока , протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым . Так как у кремниевых диодов тепловой ток мал, то и начальный участок прямой ветви характеристики значительно более пологий, чем у германиевых (рис. 2.12). При увеличении температуры прямая ветвь характеристики становится более крутой из-за увеличения и уменьшения сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее тому же значению прямого тока, при этом уменьшается, что оценивается с помощью температурного коэффициента напряжения (ТК U) е:

(2.28)

ТК U показывает, насколько должно измениться напряжение на при изменении температуры на при . В настоящее время наиболее широко применяются микросплавные и мезадиоды (мезаэпитаксиальные), а также диоды с диффузионной базой.

Рассмотрим некоторые типы диодов, применяемых в низкочастотных цепях.