Тема 5. Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий діод — це напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом, що випрямляє, і двома зовнішніми виводами, у якому використовується та або інша властивість переходу, що випрямляє. У якості електричного переходу, що випрямляє, може бути электронно-дирочний перехід, гетероперехід або контакт метал - напівпровідник. У діоді з электронно-дирочним переходом крім електричного переходу, що випрямляє, є два невыпрямляющих переходи, через які р- і n- області діода з'єднуються з виводами (мал. IV.l,a). У діоді з електричним переходом, що випрямляє, у вигляді контакту метал - напівпровідник усього один перехід, що не випрямляє (мал. IV. 1,6).

Рис. IV.1. Пристрій напівпровідникового діода:

а - з электронно-дирочним переходом; б-з контактом, що випрямляє, метал-напівпровідник; В - контакти, що випрямляють; Н - контакти, що не випрямляють.

Залежно від співвідношення лінійних розмірів переходу, що випрямляє, розрізняють площинні й крапкові діоди. Площинним називають діод, у якого лінійні розміри, що визначають його площа, значно більше товщини, крапковим - діод, у якого лінійні розміри, що визначають площу електричного переходу, що випрямляє, значно менше характеристичної довжини, що визначає фізичні процеси в переході й у навколишніх його областях.

перехід, Що Випрямляє, володіє й іншими властивостями: не лінійністю вольт амперної характеристики; явищем ударної іонізації; явищем туннелированія носіїв крізь потенційний бар'єр; бар'єрною ємністю. Ці властивості переходу, що випрямляє, використовують для створення різних видів напівпровідникових діодів: випрямних діодів, змішувачів, множителів, модуляторів, стабисторов, стабілітронів, пролітних діодів, тунельних і звернених діодів, варикапів.

Система позначень сучасних напівпровідникових діодів установлена галузевим стандартом ОСТ 11 336.919-81. В основу системи покладений семизначний буквено-цифровий код. Перший елемент коду позначає вихідний напівпровідниковий матеріал на основі якого виготовлений прилад: германій або його з'єднання - Г; кремній або його з'єднання - ДО; з'єднання галію – А з'єднання індію - И. Для приладів, використовуваних у пристроях спеціального призначення, установлені наступні позначення вихідного матеріалу: германій або його з'єднання - 1; кремній або його з'єднання - 2; з'єднання галія - 3; з'єднання індію - 4. Другий елемент - позначає підклас або групу приладу: діоди випрямні, імпульсні, діодні перетворювачі (магнітодиоди, термодіоди й ін.) - Д; випрямні стовпи й блоки - Ц; діоди надвисокочастотні - А; варикапи - В; діоди тунельні й звернені - И; стабілізатори напруги напівпровідникові (стабілітрони, стабістори, обмежники) - З; генератори шуму - Г; випромінюючі оптоэлектронні прилади - Л. Третій елемент позначення приладів - цифра, що визначає призначення (параметри або принцип дії) приладу відповідно до табл. IV.1. Четвертий елемент позначення приладів - двозначне число від 01 до 99, що позначає порядковий номер розробки типу приладу. Допускається використовувати тризначне число від 101 до 999 за умови, якщо порядковий номер розробки перевищує 99. П'ятий елемент позначення - буква російського алфавіту, що визначає класифікацію по параметрах приладів, виготовлених за єдиною технологією. Як додаткові елементи позначення для наборів у загальному корпусі однотипних приладів, не з'єднаних электрических або з'єднаних однойменними виводами, після позначення типу приладу використовується буква С.

Оскільки ОСТ 11 336.919-81 уведений у дію в 1982 р., для позначення більшості типів приладів, включених у справжній довідник, використана інша система позначень. У позначеннях напівпровідникових діодів, розроблених до 1964 р., перший елемент- буква Д, що характеризує весь клас напівпровідникових діодів; другий елемент - число, що характеризує призначення приладу; третій елемент - буква, що вказує різновид приладу.

З 1964 р. по 1973 р. відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТ 10862-64, а з 1973 р. по 1977 р. відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТ 10862-72 розроблювальним приладам привласнювалися позначення по наступній системі. Перший елемент, позначення визначає вихідний матеріал на основі якого виготовлений прилад: германій- Г; кремній- ДО; арсенід галію - А. Другий елемент позначення - буква, що характеризує підклас приладів: Д - випрямні, універсальні, імпульсні діоди; Ц - випрямні стовпи й блоки; А - діоди СВЧ; В - варикапи; И - діоди тунельні й звернені; Л - випромінювачі; Г - генератори шуму; Б - діоди; ДО - стабілізатори струму; З - стабілітрони й стабістори; Ф - фотоприлади. Третій елемент позначення - число, що вказує призначення приладу в межах підкласу (табл. IV.2). Четвертий елемент - порядковий номер розробки технологічного типу приладу (від 01 до 99). П'ятий елемент - розподіл технологічного типу на параметричні групи.

Третій елемент позначення стабілітронів і стабісторів визначає індекс потужності, четвертий - кодоване позначення номінальної напруги стабілізації, п'ятий - послідовність розробки (букви російського алфавіту від А до Я). Набори дискретних напівпровідникових елементів (кілька приладів, виконаних в одному корпусі) позначаються у відповідності є їхнім різновидом з додаванням після другого елемента позначення букви С.

Приклади позначення: ГД412А - діод напівпровідниковий універсальний, призначений для пристроїв широкого застосування, германіевий, номер розробки 12, група А; КС168А - стабілітрон напівпровідниковий, призначений для пристроїв широкого застосування, кремнієвий, потужністю не більше 0,3 Вт, з напругою стабілізації 6,8 У, послідовність розробки А; КДС523А - набір напівпровідникових приладів, дискретним елементом якого є імпульсний діод, призначений для пристроїв широкого застосування, кремнієвий, із часом відновлення зворотного опору більше 150 не, номер розробки 23, група А.

Для напівпровідникових діодів з малими розмірами корпуса використовується кольорове маркування (табл. IV.4).

Позначення параметрів напівпровідникових діодів установлене ДЕРЖСТАНДАРТ 25529-82. Умовне графічне позначення напівпровідникових діодів наведене на мал. IV.2 (ДЕРЖСТАНДАРТ 2.730-73).

Випрямні напівпровідникові діоди призначені для випрямлення змінного струму низької частоти (звичайно менш 50 кГц). У якості випрямних використовують площинні діоди, що допускають завдяки значній площі р - n - переходу, великий випрямлений струм. Германіевие площинні діоди розраховані на прямі струми від десятих часток ампера до десятків амперів при спаданні напруги до 0,5 значення й полярності прикладеного до нього напруги, зображена на мал. IV.3,а. Температурна залежність прямого спадання напруги різна при малих і більших для даного типу діода струмах. Зворотні струми в значній мірі залежать від температури переходу. Пробій германіевих діодів має тепловий характер, тому пробивна напруга зменшується з підвищенням температури. Верхня межа діапазону робочих температур германіевих діодів В. Вольт-амперна характеристика германіевого діода, що виражає залежність струму, що протікає через діод, від значення й полярності прикладеного до нього напруги, зображена на мал. IV.3,а. Температурна залежність прямого спадання напруги різна при малих і більших для даного типу діода струмах. Зворотні струми в значній мірі залежать від температури переходу. Пробій германіевих діодів має тепловий характер, тому пробивна напруга зменшується з підвищенням температури. Верхня межа діапазону робочих температур германіевих діодів

Рис. IV.2. Умовне графічне позначення напівпровідникових діодів: а - діод, випрямний блок; б - тунельний діод; в - звернений діод; г - стабілітрон однобічний; д - стабілітрон двосторонній; е - варикап; ж - варікапна матриця; з - светодіод.

становить 75—85 °С. Істотним недоліком германіевих діодів є їхня висока чутливість до короткочасних імпульсних перевантажень.

Кремнієві площинні діоди розраховані на прямі струми від десятих часток ампера до десятків амперів при спаданні напруги до 1,5 У. Зі збільшенням температури пряме спадання напруги на ньому зменшується (мал. IV.3,6). Пробій кремнієвих діодів має лавинний характер, тому

Рис. IV.3. Вольт-амперні характеристики діодів при різних температурах навколишнього середовища: а - германіевих; б - кремнієвих.

пробивна напруга підвищується зі збільшенням температури. Верхня межа діапазону робочих температур кремнієвих діодів досягає 125 °С. Припустима зворотна напруга кремнієвих діодів (до 1600 У) значно перевершує аналогічний параметр германіевих діодів.

Основні параметри. Постійна пряма напруга Uпр - постійна напруга на діоді при заданому постійному прямому струмі. Постійна зворотна напруга Uобр - постійна напруга, прикладена до діода у зворотному напрямку. Постійний прямий струм Iпр - постійний ток. протеікаючий через діод у прямому напрямку. Постійний зворотний струм Iобр - метал - напівпровідник, завдяки милій бар'єрній ємності є також надшвидкісними імпульсними діодами.

Основні параметри. Імпульсна пряма напруга діода Іnp і-и- найбільше миттєве значення прямого напружене постійний струм, що протікає через діод у зворотному напрямку при заданій зворотній напрузі. Середній прямий струм І - середнє за період значення прямого струму діода. Середній випрямленний струм діода Івп порівн - середнє за період значення прямого й зворотного струмів. Диференціальний опір діода гдіф - відношення малого збільшення напруги діода до малого збільшення струму в ньому при заданому режимі.

Гранично припустимі параметр. До них ставляться: максимально припустима постійна зворотна напруга (Iобр тах, максимально припустимий прямий струм інтах> максимально припустимий середній прямій струм Iпр. сртах. максимально припустимий середній випрямленний струм Iвп. порівн тах, максимально припустима середня розсіюватися потужньсть, Що, Р тах.

Основні параметри випрямних діодів (мал. IV.4) наведені в табл. IV.5.

Високочастотні діоди - прилади універсального призначення: для випрямлення струмів у широкому діапазоні частот (до декількох сотень мегагерц), для модуляції, детектірованія й інших нелінійних перетворень. У якості високочастотних в основному використовуються крапкові діоди. Германіевие крапкові високочастотні діоди можуть мати зворотна напруга до 350 У и прямий струм до 100 мА при (Iпр. = 1...2 В. Основні параметри високочастотних діодів (мал. IV.5) наведені в табл. IV.6.

Імпульсні діоди призначені для перетворення імпульсних сигналів (у детекторах відеосигналів телевізійних приймачів, ключових і логічних схемах). В основному використовуються крапкові діоди, а також площинні діоди з малою площею р - «-переходу. Діоди з бар'єром Шотки, виконувані на основі структури

Гранично припустиме значення параметра-це значення параметра, задане в нормативно-технічній . документації, обмежене можливостями даного типу приладу й обеспечивающее задану надійність. Гранично припустиме значення може бути максимально або мінімально припустимим. Обумовлене імпульсним прямим струмом діода заданого значення. Імпульсна зворотна напруга діода Uo6. н - миттєве значення зворотної напруги діода. Імпульсний прямий струм діода /ін і - найбільше миттєве значення прямого струму діода, крім повторюваних і неповторюваних перехідних струмів. Загальна ємність діода Сд - значення ємності між виводами діода при заданому режимі. Час прямого відновлення діода в, Iпр - час, у плині якого відбувається включення діода й пряма напруга на ньому встановлюється від значення, рівного нулю, до заданого сталого значення. Час зворотного відновлення діода t ЕОС обр - час перемикання діода із заданого прямого струму на задану зворотну напругу від моменту проходження струму через нульове значення до моменту досягнення зворотним струмом заданого значення. Заряд відновлення діода QBOC - накопичений заряд діода, що випливає в зовнішній ланцюг при перемиканні діода із заданого прямого струму на задану зворотну напругу.

Стабілізатор напруги напівпровідниковий (стабілітрон, стабистор) - це напівпровідниковий діод, напруга на якому зберігається з певною точністю при протіканні через нього струму в заданому діапазоні. Він призначений для стабілізації напруги. У стабілітронів робітником є пробійна ділянка Вольт-амперної характеристики в області зворотних напруг (мал. IV. 12). На цій ділянці напруга на діоді залишається практично постійним при значній зміні струму, що протікає через діод. Важливим параметром стабілітрона є температурний коефіцієнт напруги стабілізації. Узагальнена залежність температурного коефіцієнта напруги стабілізації від напруги стабілізації наведена на мал. IV. 13. Як видно з малюнка, а має позитивні значення для високовольтних і негативні для низьковольтних стабілітронів. У стабісторов робітником служить пряма ділянка вольт-амперної характеристики (мал. 1V.14). У двуханодних стабілітронів є два зустрічно включених р - л-переходи, один із яких є стабілізуючим для позитивної напруги, іншої - для негативного.

Основні параметри. Напруга стабілізації UCT - значення напруги стабілітрона при протіканні струму стабілізації. Струм стабілізації Iст - значення постійного струму, що протікає через стабілітрон у режимі стабілізації. Диференціальний опір стабілітрона Iст - диференціальний опір при заданому значенні струму стабілізації стабілітрона, обумовлене як відношення збільшення напруги стабілізації до ви його малому збільшенню, що кликало, струму. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації a.y - відношення відносної зміни напруги стабілізації до абсолютної зміни температури навколишнього середовища при постійному значенні струму стабілізації.

Основні параметри імпульсних діодів (див. мал. IV.5) наведені в табл. IV.7, а імпульсних диодных складань (мал. IV.6- IV.11) - у табл. IV.8.

Гранично припустимі параметри. До них ставляться: максимально припустимий струм стабілізації Iтах, мінімально припустимий струм стабілізації Iст , максимально припустимий прямий струм I max, максимально припустима розсіюється потужньсть, Що, Ротах.

Основні параметри стабілітронів і стабисторов (мал. IV.15) наведені в табл. IV.9.

Варикап — напівпровідниковий діод, дія якого засноване на використанні залежності ємності від зворотної напруги і який призначений для застосування як елемент із электрически керованою ємністю. Зі збільшенням зворотної напруги ємність р - n-переходу зменшується за законом

де С ц - ємність діода при зворотній напрузі U; З0 - ємність діода при нульовій зворотній напрузі; сек - контактний потенціал (становить десяті частки вольта); п - коефіцієнт, що залежить від типу варикапа (п = 2...3).

Варикап, призначений для множення частоти сигналу, називають варактором. Варикапи використовують у пристроях, автопідстроювання частоти, генераторах, гетеродинах з електронної -перебудовою частоти.

Основні параметри. Добротність варикапа QB - відношення реактивного опору варикапа на заданій частоті до опору втрат при заданому значенні ємності або зворотної напруги. Коефіцієнт перекриття по ємності варикапа Кс - відношення загальних ємностей варикапа при двох задані значення зворотної напруги

Загальна ємність варикапа Св ємність, обмірювана між виводами варикапа при заданій зворотній напрузі. Постійний зворотний струм варикапа Iобр - постійний струм, що протікає через діод у зворотному напрямку при заданій зворотній напрузі. До гранично припустимих параметрів ставляться: максимально припустима зворотна напруга Uобр max- максимально припустима розсіюватися потужньсть, Що, Рmax.

Основні параметри варикапів (рис IV.16) наведені в табл. IV.10..

Тунельний діод - це напівпровідниковий діод на основі вирожденного напівпровідника, у якому тунельний ефект приводить до появи на вольт-амперній характеристиці прительной диференціальної провідності. Вольт - амперна характеристика (рис IV. 17) містить ділянка з негативним дифференціальним опором (відношення збільшення напруги до збільшення струму). Це дозволяє використовувати діод у підсилювачах і генераторах електричних коливань, а

Рис. IV 15 Стабілітрони й стабістори.

також у різноманітних імпульсних пристроях. Якість діода визначають довжина крутість падаючої ділянки А Б. Частотні властивості діода працюючого на малих рівнях сигналу, на ділянці з опором визначаються параметрами елементів еквівалентної схеми (мал. IV.18). Активнаа тридцятилітній повного опору має негативний знак до частоти

Посилення й генерування коливань можливо на частотах, що не перевищують fr.

Основні параметри. Піковий струм 1п - значення прямого струму в крапці максимуму вольт-амперної характеристики тунельного діода, при якому значення диференціальної провідності дорівнює нулю. Струм западини. /в - значення прямого струму в крапці мінімуму вольт-амперної характеристики тунельного діода, при якому значення диференціальної активної провідності дорівнює нулю. Відношення струмів тунельного діода Iпв - відношення пікового струму до струму западини. Напруга піка Un- значення прямої напруги, що відповідає піковому струму тунельного діода. .Напруга западини значення прямої напруги, з відповідь

ствующее току западини тунельного діода. Напруга розчину t/p - значення прямої напруги на другій висхідній галузі вольт-амперної характеристики тунельного діода, при якому струм дорівнює піковому. Негативна провідність диференціальна провідність переходу на падаючій ділянці прямої галузі вольт-амперної характеристики тунельного діода. Шумова постійна величина, обумовлена співвідношенням струм у робочій крапці, негативна провідність тунельного діода. Гранична резистивная частота значення частоти, на якій активнаа тридцятилітній повного опору тунельного діода на його виводах звертається в нуль. Резонансна частота значення частоти, на якій загальний реактивний опір р – n - переходу й індуктивності корпуса тунельного діода звертається в нуль. Гранично припустимі параметри: максимально припустимий прямій струм тунельного діода максимально припустимий постійний зворотний струм, максимально припустиме постійна пряма напруга.

Зверненим називають напівпровідниковий діод на основі напівпровідника із критичною концентрацією домішки, у якому провідність при зворотній напрузі внаслідок тунельного ефекту значно більше, ніж при прямій напрузі, а піковий струми струм западини приблизно рівні. Пряма галузь вольт-амперної характеристики зверненого діода (мал. IV. 19) .аналогічна прямої галузі вольт-амперної характеристики випрямного діода. Зворотна галузь вольт-амперної характеристики аналогічна зворотної галузі вольт-амперної характеристики тунельного діода. Зворотні струми у звернених діодах більші при мізерно малих зворотних напругах (десятки мілівольтів) і значно перевершують прямі струми в цій області -напруг. Таким чином, звернені діоди мають випрямляющим ефект, але провідний напрямок у них відповідає

зворотному включенню, а замикаюче- прямому. Тунельні діоди здатні працювати при дуже малих сигналах. Основні параметри звернених (мал. IV.20) діодів ті ж, що й тунельних (крім Ірр) (табл. IV.11 і IV.12). Додатково задаються параметри зворотної галузі вольт-амперної характеристики (напруга при заданому зворотному струмі).

Напівпровідниковий светодіод — це випромінюючий напівпровідниковий прилад з одним або декількома електричними переходами, призначений для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання. Конструкцією светодіода передбачена можливість виводу світлового випромінювання з області переходу крізь прозоре скло в корпусі. Залежно від обраного матеріалу й ширини забороненої зони напівпровідника випромінювання може лежати в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетовій області спектра. Властивості й ефективність роботи светодіода оцінюються сукупністю електричних, світлових і експлуатаційних характеристик. Основними з них є потужність і яскравість випромінювання, ефективність перетворення електричної енергії у світлову, вольт^-амперні, спектральні, динамічні характеристики, просторове розподіл випромінювання. Характеристики светодіода мають значний розкид і істотно залежать від температури. На мал. IV.21 показані прямі галузі вольт-амперної характеристики светодіода при різній температурі навколишнього середовища й розкид характеристик від екземпляра до екземпляра при нормальній температурі.

Светодіоди використовуються як світлові індикатори, джерела випромінювання в оптоэлектронних перах, при роботі з кіно й фототехнікою, у пристроях автоматики. Основні параметри светодіодів (мал. IV.22) наведені в табл. IV. 13.

Рекомендації із застосування діодів.

1. Для підвищення надійності роботи приладів в апаратурі необхідно знижувати температуру переходів, а також робочі напруги й струми: вони повинні бути істотно нижче гранично припустимих. Рекомендується встановлювати напруги й струми на рівні 0,5-0,7 граничних. Не допускається навіть короткочасне перевищення гранично припустимого режиму при експлуатації.

2. Якщо необхідне значення струму або напруги перевищує гранично припустиме для даного приладу значення, рекомендується їх паралельне або послідовне з'єднання. При паралельному з'єднанні необхідно вирівнювати струми через діоди за допомогою резисторів з невеликим опором (до 10 Ом залежно від типу діода), що включаються послідовно з кожним діодом. При послідовному включенні діодів зворотні напруги на них вирівнюються за допомогою шунтувальних резисторів або конденсаторів. Опори, що рекомендуються, і ємності шунтів вказуються в ТУ на діоди. Між послідовно або паралельно включеними діодами повинна бути гарний тепловий зв'язок (наприклад, установка на одному радіаторі). У противному випадку розподіл навантаження між діодами буде нестійким.

3. Необхідно дотримуватися принципу максимально можливого зниження температури переходів і корпусів приладів. Для охолодження потужних діодів використовують теплоотводящие радіатори, а також конструктивні елементи вузлів і блоків апаратури. Кріплення діодів до радіатора повинне забезпечувати надійний тепловий контакт. Якщо корпус повинен бути ізольований, то для зменшення загального теплового опору краще ізолювати радіатор від корпуса апаратури, чим діод від радіатора.

4. У процесі підготовки й проведення монтажу діодів в апаратуру механічні й кліматичні впливи на них не повинні перевищувати значень, зазначених у ТУ. Відстань від корпуса до початку вигину виводу повинне бути не менш 5 мм. Відстань від корпуса або ізолятора до місця лудіння або пайки виводу повинне бути не менш 3 мм. Для відводу тепла ділянка виводу між корпусом і місцем пайки зажимается пінцетом з губками із червоної міді.

Жало паяльника повинна бути надійно заземлено. Час пайки повинне бути мінімальним (2—3 с), а температура плавлення припою не перевищувати 260 °С (наприклад, припій ПОС-40).

Не рекомендується розташовувати діоди ні в постійних, ні в змінних сильних магнітних полях.

Пристрою з діодами необхідно розраховуй з обліком максимально можливих змін параметрів у діапазоні робочих температур, а також у процесі експлуатації й зберігання.

Транзистори