15. Устройство, принцип работы полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n-переходом. Для изготовления диодов применяют германий, кремний и другие материалы. По способу создания p-n -перехода различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры такого же размера, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов размеры площади перехода значительно больше его толщины. Точечные диоды имеют малую емкость p-n -перехода (менее 1 пФ) и применяются на любых частотах вплоть до СВЧ, но могут пропускать токи не более десятков миллиампер. Плоскостные диоды имеют емкость десятки пикофарад и более, поэтому применяются на частотах не выше десятков килогерц. Но зато допустимый ток в плоскостных диодах бывает до сотен ампер.

Диоды состоят из полупроводникового кристалла с p-n -переходом, заключенного в корпус, и двух выводов от р-области (анод) и n-области (катод).

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока, промышленного (f=50 Гц) и низкой частоты (f<50 кГц).

В зависимости от мощности эти диоды могут быть оформлены в миниатюрные или сверхминиатюрные корпуса из пластмассы, металлические или стек­лянные для диодов малой мощности.

Диоды средней мощности имеют винт с гайкой для крепления. Для выпрямления высоких напряжений выпущены кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпусах, залитых полимеризованной смолой.

Работа выпрямительного диода основана на односторонней проводимости p-n-перехода и достаточно полно определяется его вольтамперной характеристикой - зависи­мостью тока, проходящего через прибор, от при­ложенного напряжения.

Различают электрический и тепловой пробой р-n-перехода. Электрический пробой является неразрушающим, обратимым, т. е. при этом не происходит разрушения структуры вещества. Поэтому работа диодов в этом режиме допустима. Специ­альные диоды - стабилитроны - работают на участке БВ. Существуют два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой происходит из-за лавинного размножения неосновных носителей заряда в широких р-n -переходах.

Туннельный пробой наблюдается в узких p-n-переходах и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов от атомов полупроводника.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева перехода или отдельного участка. При этом происходит интенсивная генерация пар электрон-дырка, увеличивается ток и приводит к еще большему разогреву. Этот процесс также лавинообразный и завершается расплавлением перехода и выходом прибора из строя (участок ВГ).

Германиевые диоды ис­пользуют для обработки сигналов малой амплитуды: Прямое напряжение Д31IA составляет 0,2 В, а у Д223А примерно 1 В. Кремниевые диоды применяют чаще германиевых, особенно когда недопустим обратный ток. Кроме того они сохраняют работоспособность при температуре до 125...150 °С, тогда как германиевые могут работать только при температуре до +70 °С.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

U_пр - постоянное прямое напряжение, измеренное при определенном пря-мом токе.

I_об- постоянный обратный ток, измеренный при определенном обратном напряжении.

U_обр.max- максимально допустимое постоянное обратное напряжение.

I_{пр. cp.max} - максимально допустимый средний прямой ток, обычно определяется как средний за период прямой ток в схеме однополупериодного выпрямителя.

Для увеличения амплитуды допустимого обратного напряжения диоды со­единяют последовательно, а для увеличения выпрямленного тока - параллельно. Для выравнивания обратных напряжений на диодах при их последовательном соединении параллельно каждому диоду подключают резистор сопротивлением порядка 100 кОм. Для выравнивания токов диодов при параллельном соедине­нии диодов последовательно с каждым из них включают резистор сопротивлени­ем в несколько Ом.