5.9 Полупроводниковые диоды

В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе pn-перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

5.9.1 Выпрямительные диоды

Основу выпрямительного диода составляет pn-переход, ВАХ такого диода имеет ярко выраженную нелинейность. В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Вентильные свойства диода выражены тем ярче, чем меньше обратный ток и прямое напряжение (в идеальном случае они должны быть равны нулю). Эти требования противоречат друг другу. Уменьшение тока насыщения, например, за счет увеличения концентрации легирующей примеси в соответствии с формулой , ведет, как следует из формулы, к возрастанию контактной разности потенциалов и, следовательно, к увеличению прямого напряжения, которое необходимо подавать на диод для получения того же значения прямого тока.К аналогичным выводам можно прийти, анализируя влияние ширины запрещенной зоны (собственной концентрации носителей) на значения этих параметров (рис. 5.26).

Рис. 5.26 Качественное сравнение ВАХ германиевого и кремниевого диода (масштабы прямого и обратного токов различны)

В Si диоде обратный ток определяется током генерации-рекомбинации в ОПЗ, а в Ge диоде – током экстракции (насыщения I_s). На прямой ветви ВАХ при напряжении V* наблюдается резкий перегиб. Обычно значения V* составляют 0,6-0,7 В для диодов на основе Si и 0,3-0,4 В для Ge диодов. Эти значения близки к контактным разностям потенциалов этих материалов. При повышении температуры изменяются практически все электрофизические свойства полупроводников, поэтому изменяются и параметры полупроводниковых приборов, в частности, значение контактной разности потенциалов, уменьшается; ток насыщения, растет (рис. 5.28). Необходимо подчеркнуть, что изменение температуры диода может произойти не только вследствие изменения температуры окружающей среды, но и за счет саморазогрева pn-перехода при больших плотностях протекающего через него токов. Снижение влияния температуры добиваются путем введения специальных конструктивных элементов корпусов – радиаторов.

Рис. 5.28 ВАХ диодов при различных температурах: а – Ge диод; б – Si диод.

5.9.2 Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, ВАХ которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 5.29.

Рис. 5.28 ВАХ (а) и конструкция корпуса (б) стабилитрона

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U_стаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление R_диф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина R_диф ≈ 2÷50 Ом. Основное назначение стабилитрона - стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи.

Основными характеристиками стабилитрона являются ток I_ст и напряжение U_ст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона r_ст и температурная зависимость этих параметров.