Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с двумя выводами (приставка "ди-" означает два) и одним р-n-переходом.

По функциональному назначению, принципу образования р-n-перехода и использованию тех или иных его свойств диоды делятся на выпрямительные, стабилитроны, импульсные, диоды Шоттки, фотодиоды, светодиоды и т.п. Один из вариантов конструкции и условное обозначение диода приведены на рис. 1.4, а, б. Вывод от р-области называют анодом, а от n-области – катодом.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, т.с. зависимость протекающего через диод тока от приложенного к нему напряжения, определяется вольт-амперной характеристикой p-я-перехода (рис. 1.4, в). При подаче к диоду прямого напряжения диод открыт и пропускает прямой ток, при этом падение напряжения на диоде составляет десятые доли вольт. При подаче обратного напряжения диод заперт, и если оно не достигает значения Uобр max, то через диод протекает пренебрежительно малый обратный ток I0 (Iпр и Iобр на рис. 1.4, в показаны в разных масштабах). При подаче обратного напряжения, превышающего значение Uобр.mах, наступает пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает.

Рис. 1.4. Полупроводниковый диод:

а – вариант конструкции; б – условное обозначение; в – вольт-амперная характеристика

Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый, выводящий полупроводниковый диод из строя). Под воздействием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей и получают энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера. Двигаясь с большой скоростью в р-n-переходе, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их, в результате чего появляются новые свободные электроны и дырки. Этот лавинообразный процесс приводит к резкому увеличению обратного тока, т.е. к электрическому пробою р-n-перехода. Если обратный ток ограничивать, то после снятия высокого обратного напряжения р-n-переход восстанавливается. Если же обратный ток не ограничивать, то электрический пробой перейдет в тепловой, при котором за счет разогрева р-n-перехода происходит энергичная генерация пар "свободный электрон–дырка", приводящая к резкому увеличению обратного тока. Увеличение тока приводит к еще большему разогреву р-n-перехода и, значит, к дальнейшей генерации носителей. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к выводу диода из строя.

Выпрямительные диоды

Эти диоды предназначены для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный. К их быстродействию, емкости р-n-перехода и стабильности параметров высоких требований не предъявляют. Их выполняют на сплавных и диффузионных несимметричных р-n-переходах. Выпрямительные диоды характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Для этого площадь р-n-перехода выполняется относительно большой и, следовательно, емкость р-n-перехода достаточно велика (десятки пикофарад). Поэтому переходные процессы в этих диодах протекают относительно долго. (Под длительностью переходного процесса понимают время перехода из открытого состояния диода is запертое и наоборот при перемене полярности приложенного напряжения.)

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

• допустимое обратное напряжение Uобр, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения работоспособности;

• средний прямой ток Iпр.ср – наибольшее допустимое значение постоянного тока, протекающего длительно в прямом направлении;

• максимально допустимый импульсный прямой ток Iпр при указанной в паспорте наибольшей длительности импульса;

• средний обратный ток Ioбр.cp – среднее за период значение обратного тока;

• среднее прямое напряжение Uпр.ср – падение напряжения на открытом диоде;

• средняя рассеиваемая мощность Рср.д – средняя за период мощность, выделяющаяся в диоде при выпрямлении переменного тока;

• дифференциальное сопротивление