Лекция 4. Диоды

Диод – это двухслойная полупроводниковая структура, состоящая из полупроводников двух типов: n-типа, обладающих электронной проводимостью (полупроводниковая пластина с примесью атомов фосфора), и р-типа, обладающих дырочной проводимостью (полупроводниковая пластина с примесью атомов алюминия). Переход (стык) этих двух видов полупроводников обладает переменным сопротивлением, величина которого зависит от полярности и амплитуды приложенного к выводам полупроводниковых слоев напряжения. Вывод от проводника n-типа называют катодом, а вывод от проводника р-типа – анодом. Структура полупроводникового диода и его условное графическое обозначение показаны на рис.1.

Под действием приложенного внешнего напряжения полупроводниковый диод может находиться в двух состояниях: открытом (проводящем), когда напряжение приложено в прямом направлении (плюс на аноде, минус на катоде); и закрытом (непроводящем), когда напряжение приложено в обратном направлении (плюс на катоде, минус на аноде).

Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода показана на рис.2. В настоящее время в качестве основы для полупроводников обычно выступают германий и кремний. ВАХ имеет прямую ветвь с линеаризованной характеристикой U= U₀ + I R_д (диод находится в проводящем состоянии, где его сопротивление R_д=ctg β и составляет порядка 0,3…0,5 Ом для германиевых диодов и 1,0…1,5 Ом для кремниевых диодов) и обратную ветвь (диод находится в непроводящем состоянии, где его сопротивление составляет десятки и сотни кОм).

Классификация диодов:

- по материалу: германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые;

- по типу (области применения): выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны, светодиоды, фотодиоды.

Маркировка диодов:

- разработанных до 1964 г.: состоит из трех элементов: первый – буква Д (диод); второй – число, определяющее материал и тип (1-100, 301-400 – германиевые , 101-300, 800-1000 – кремниевые), третий – разновидность данного диода.

- разработанных после 1964 г.: состоит из четырех элементов: первый – буква или цифра, обозначающая материал (Г или 1 – германий, К или 2 – кремний, А или 3 – арсенид галлия); второй – буква, определяющее область применения (Д – выпрямительные и импульсные диоды, А – высокочастотные (СВЧ) диоды, С – стабилитроны, Л – светодиоды, Ф – фотодиоды, И – туннельные диоды, Н – динисторы, У - тиристоры), третий – группу мощности, четвертый - разновидность данного диода.

Выпрямительные диоды используются в различных выпрямительных схемах, работающих на низких частотах.

Основные данные некоторых маломощных выпрямительных диодов указаны в табл.1, марки мощных выпрямительных диодов – в табл.2.

Таблица 1

Тип	Максимальный ток, А	Максимальное напряжение, В	Прямое падение напряжения, В	Материал	Диапазон температур,0С
Д7Ж	0,3	400	0,5	Германий	-60…+70
Д305	10	50	0,7	Германий	-55…+70
КД213Б	10	200	1	Кремний	-60…+120
КД203А	10	600	1	Кремний	-55…+100

Таблица 2

Iср, А	10…25	32…40	50…80	100	160	200…320
Тип диода	Д112	Д122	Д132	Д141	Д151	Д161

Пример обозначения диода для спецификации: Д132-50-7 (50 – средний ток в амперах, 7 – максимальное напряжение в сотнях вольт).

Высокочастотные диоды – приборы универсального назначения. Они могут использоваться в различных схемах преобразовательных устройств, работающих в широком диапазоне частот (до сотен мегагерц).

Основные данные некоторых высокочастотных диодов указаны в табл.3.

Таблица 3

Тип	Максимальный ток, А	Максимальное напряжение, В	Прямое падение напряжения, В	Материал	Диапазон температур,0С
Д2Б	0,016	30	1	Германий	-55…+60
Д9Б	0,04	10	1	Германий	-55…+60
Д101	0,03	100	1	Кремний	-55…+100
Д223	0,05	50	1	Кремний	-55…+100

Импульсные диоды используются в качестве ключевых элементов при малых длительностях импульсов и переходных процессов.

Основные данные некоторых маломощных импульсных диодов указаны в табл.4.

Таблица 4

Тип	Максимальный ток, А	Максимальное напряжение, В	Прямое падение напряжения, В	Материал	Диапазон температур,0С
Д310	0,25	20	0,5	Германий	-55…+60
Д237А	0,3	200	1	Кремний	-60…+120
Д237Б	0,3	400	1	Кремний	-60…+120

Стабилитроны (опорные диоды) предназначены для стабилизации уровня напряжения при изменении величины протекающего через диод тока. В стабилитронах рабочим является обратный участок вольтамперной характеристики (рис.2). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при значительном изменении тока, протекающем через диод.

Основные данные некоторых стабилитронов указаны в табл.5.

Таблица 5

Тип	Максимальный ток, А	Напряжение стабилизации, В	Максимальная допустимая мощность, Вт	Материал	Диапазон температур,0С
КС133А	0,08	3,3	0,3	Кремний	-55…+100
КС147А	0,07	4,7	0,3	Кремний	-55…+100
КС156А	0,055	5,6	0,3	Кремний	-55…+100
Д814В	0,032	9-10,5	1,5	Кремний	-55…+100

Светодиоды обладают свойством создавать некогерентное оптическое излучение определенного спектрального состава при прохождении через него прямого тока. В зависимости от выбранного материала излучение светодиода может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой области спектра. Светодиоды используются в качестве световых индикаторов, источников излучения в оптоэлектронных парах, в устройствах автоматики.

Основные данные некоторых светодиодов указаны в табл.6.

Таблица 6

Тип	Максимальный ток, А	Максимальное прямое напряжение, В	Яркость, кд/м*м	Свечение	Диапазон температур,0С
КЛ101А	0,01	5,5	10	Желтое	-10…+70
АЛ102Б	0,02	4,5	40	Красное	-60…+70
АЛ102В	0,03	4,5	20	Зеленое	-60…+70
АЛ106А	0,12	1,7	-	Инфракрасное	-60…+85

Фотодиоды обладают свойством преобразовывать световое излучение в электрический сигнал. Возможны два режима работы полупроводниковых фотодиодов.

Режим А характеризуется отсутствием внешнего источника напряжения. Фотодиод работает как вентильный фотоэлемент с собственной ЭДС около 0,1 В.

Режим Б характеризуется наличием внешнего источника напряжения. В темноте через фотодиод течет темновой ток, который зависит от напряжения источника питания. При освещении фотодиода появляется фототок, который возрастает пропорционально освещенности.

Фотодиоды используются в качестве чувствительных элементов в схемах телеконтроля, приемников излучения в оптоэлектронных парах, в устройствах автоматики.

Основные данные некоторых фотодиодов указаны в табл.7.

Таблица 7

Тип	Темновой ток, мкА	Максимальное напряжение, В	Чувствительность, мА/лм	Световой ток, мкА	Диапазон температур,0С
ФД-1	30	20	20	800	-5…+40
ФД-3	15	20	20	250	-5…+40
ФДК-1	3	20	3	50	-5…+40