1.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя слоями проводимости, заключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь. В основе структуры диода лежит переход. ВАХ реального диода (рис. , кривая 2) несколько отличается от характеристики идеального перехода. Прямое падение напряжения на диоде больше напряжения на переходе на значение падения напряжения при прохождении тока через толщу слоев полупроводника, главную роль при этом играет падение напряжения в слаболегированном высокоомном слое (в примере, рассмотренном в § 1.2, в -слое).

Обратная ветвь ВАХ диода имеет три характерных участка. На участке I отличие от характеристики перехода обусловлено наличием тока утечки по поверхности кристалла. Участок II — это участок электрического пробоя перехода: при мало изменяющемся напряжении наблюдается резкое увеличение тока. Для выпрямительных диодов характерен лавинный пробой, заключающийся в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители заряда, попавшие в переход, за время пробега между столкновениями с узлами кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. При этом образуется пара свободных носителей заряда. В свою очередь эти носители, ускоряясь в поле, также могут произвести ионизацию. Процесс лавинного пробоя напоминает образование горной лавины. В результате ток через переход резко нарастает. При снятии напряжения ток через прибор прекращается и диод пригоден к дальнейшему использованию, т. е. лавинный пробой является обратимым.

Другой разновидностью обратимого электрического пробоя на участке II может быть полевой пробой. В тонких переходах напряженность электрического поля велика, при этом энергия, необходимая для разрыва связи в кристаллической решетке, уменьшается, увеличивается генерация неосновных носителей, резко возрастает обратный ток.

На участке III происходит тепловой пробой. При увеличении приложенного обратного напряжения растет ток через диоды, а также мощность, выделяемая в переходе.

Повышение температуры кристалла усиливает генерацию неосновных носителей, поэтому увеличивается обратный ток. При увеличении обратного тока в свою очередь растет мощность, температура перехода еще более повышается, что в конечном счете приводит к разрушению перехода и выходу прибора из строя. Этот вид пробоя, приводящий к разрушению прибора, является наиболее нежелательным.

Для использования полупроводниковых приборов в электронных схемах разработана система числовых величин, параметров, которые приводятся в справочниках. Система параметров позволяет правильно выбрать диод для применения в конкретных устройствах. Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

максимально допустимый средний (за период) прямой ток, величина которого определяется допустимым нагревом прибора при приложении прямого напряжения;

повторяющееся импульсное обратное напряжение, величина которого составляет примерно 0,7 напряжения пробоя и ограничивает величины допустимых обратных напряжений на диоде;

импульсное прямое напряжение, которое характеризует неидеальность прямой ветви его вольт-амперной характеристики, оно определяется при протекании максимально допустимого среднего прямого тока;

максимальный обратный ток, который характеризует неидеальность обратной ветви ВАХ диода.

Помимо этих основных параметров диода в справочнике приводятся также параметры, необходимые при анализе его работы при кратковременных перегрузках, например в аварийных режимах.

Выпрямительные диоды подразделяются на германиевые и кремниевые; последние более распространены, так как имеют более высокую предельную температуру против , обладают меньшими обратными токами и большими допустимыми обратными напряжениями. Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения (порядка 1 В против 0,3 В у германиевых). Эти отличия параметров кремниевых диодов обусловлены большей шириной запрещенной зоны у кремния.

По мощности выпрямительные диоды подразделяются на маломощные (прямой ток до 0,3 А), средней (ток от 0,3 до 10 А) и большой мощности (ток от 10 до 1000 А и выше).

Максимальное обратное напряжение кремниевых диодов достигает нескольких тысяч вольт.

Среди мощных диодов большое распространение получили лавинные диоды. Благодаря особой технологии, обеспечивающей изготовление весьма однородного по свойствам перехода, и исключению утечки тока по краю полупроводниковой структуры обратный ток в лавинных диодах течет через всю поверхность перехода с равной плотностью. При этом перегрев кристалла оказывается меньше и вероятность теплового пробоя резко снижается. Это значительно повышает надежность работы вентилей.

Особой разновидностью полупроводниковых диодов являются высокочастотные и импульсные диоды, при создании которых достигнуты малые значения внутренних емкостей и малое время переключения из проводящего состояния в непроводящее и обратно.

При низких напряжениях электрического пробоя мощность, выделяющаяся в приборе на участке II обратной ветви ВАХ (рис. 1.3), невелика, поэтому возможна длительная работа прибора. Этот режим работы используется в стабилитронах — кремниевых диодах, специально предназначенных для стабилизации напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок II, который характеризуется напряжением стабилизации и ограничен минимальным и максимальным значениями тока. Изменение напряжения стабилизации при изменении тока через прибор характеризуется динамическим сопротивлением стабилитрона: . В идеале .

За пределами участка II стабилитрон может рассматриваться как обычный диод. Промышленность выпускает стабилитроны на напряжения стабилизации в диапазоне от 4 до 200 В, максимальный ток .

На рис. 1.4 показаны обозначения выпрямительного диода и стабилитрона. Вывод (электрод), связанный с -слоем, называют анодом (А), а электрод, связанный со слоем, n-катодом (К).

Рис. 1.4. Схемные обозначения полупроводникового диода (а) и стабилитрона (б)