Полупроводниковый диод и его применение

Полупроводниковый диод

Устройство, параметры и разновидности диодов

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Разновидности и области применения полупроводниковых диодов

В зависимости от типа используемых полупроводников и степени их легирования можно создать диоды, обладающие характерными особенностями и имеющие определенное функциональное назначение.

Рассмотрим особенности различных типов диодов (см. рис. 1.4, в), их параметры и области применения.

Выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления низкочастотного переменного тока, используются в устройствах питания. Существуют кремниевые, германиевые и селеновые плоскостные диоды (сплавные и диффузные). Условия применения выпрямительных диодов определяют предельные значения их параметров:

максимальный средний прямой ток Iпр max;

максимальный импульсный прямой ток Iи.пр max;

максимальное обратное напряжение Uобр max;

среднее за период значение обратного тока Iобр при заданном обратном напряжении Uобр.

Мощные выпрямительные диоды пропускают прямой ток до 1500 А, а высоковольтные кремниевые диоды выдерживают обратное напряжение до 1600 В. Для отвода тепла мощные диоды монтируются на металлических радиаторах, имеющих большую поверхность и высокую теплопроводность.

Высокочастотные диоды (детекторные, смесительные и модуляторные) применяют для детектирования маломощных ВЧ сигналов. В этом случае существенное значение имеет собственная емкость диода, для уменьшения которой используется контактная технология, позволяющая формировать небольшую базовую область р-п-перехода в месте контакта острия вольфрамовой иглы с полупроводником. Эта технология заключается в следующем: мощный импульс тока разогревает место контакта, возникает диффузия вольфрама в полупроводник и после его охлаждения образуется небольшая область перехода. Емкость такого диода, составляющая десятые доли пикофарад (пФ), обеспечивает диапазон рабочих частот 300ѕ600 МГц. Точечные диоды на более высокие частоты изготавливают с использованием прижимного контакта металл—полупроводник без разогревания. Такие диоды могут работать при частотах до 20 ГГц.

Основными характеристиками ВЧ диодов являются: предельная частота, дифференциальное прямое сопротивление переменному току Rд = DUпр/DIпр (гдеDUпри DIпр— изменения прямых напряжения и тока) и емкость диода Сд. Остальные их параметры аналогичны параметрам низкочастотных выпрямительных диодов.

Импульсные диоды (мезодиоды, диоды с накоплением заряда, диоды Шоттки) работают в режиме электронного ключа в импульсных схемах, т.е. у них имеется два состояния: открыто—закры­то. При этом в открытом состоянии диод должен иметь малое сопротивление, а в закрытом — большое. Быстродействие импульсных схем определяется временем перехода диода из одного состояния в другое. Условия применения импульсных диодов определяют предельные значения их параметров:

максимальный выпрямленный ток Iпр max;

максимальный импульсный прямой ток Iи.пр max;

максимальное обратное напряжение Uобр max;

максимальный обратный ток Iобр max;

прямое импульсное напряжение на диоде при заданном импульсе прямого тока;

время включения tвкл;

время восстановления обратного сопротивления tвос.

В мезодиодах р-п-переход формируется путем травления полупроводника.

В диодах с накоплением зарядов р-n-переход формируется мето­дом диффузии, благодаря чему в приповерхностном слое создается большой градиент концентрации примеси. В результате возника­ет электрическое поле, направленное в сторону возрастания концен­трации примеси, обеспечивающее накопление зарядов вблизи границы р- и п-областей, что ускоряет переходные процессы.

Диоды с накоплением заряда способны накапливать и удерживать заряд в потенциальных ямах. Они используются как элементы задержки включения за счет наличия стадии рассасывания зарядов, а также как элементы памяти. С их помощью формируют задер­жку в слаботочных импульсных приборах. На их основе созданы приборы с зарядовой связью: ПЗС-линейки и ПЗС-матрицы. Послед­ние используются как быстродействующие запоминающие устройства и элементы памяти.

Диоды Шоттки работают на основе перехода металл—n-полупроводник. При этом металл имеет работу выхода больше, чем полупроводник n-проводимостью. На границе раздела формируется контактный выпрямляющий переход.

Прямой ток возникает за счет основных носителей зарядов металла (электронов). В отличие от обычных диодов накопления зарядов в переходе диода Шоттки не происходит, т.е. эти диоды имеют малую емкость р-n-перехода (Сp-n

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Принцип работы и сферы применения полупроводниковых диодов

Полупроводниковый диод является специальным устройством с одним р-n переходом, а также анодным и катодным выводом, которое предназначается для всевозможного изменения электрического сигнала. В большинстве случаев элемент изготовляется из кремния, хотя иногда используются и другие полупроводниковые материалы. Среди основных компонентов прибора — кристаллическая часть с р-n переходом.

Общая информация

Следует отметить, что современные полупроводниковые диоды создаются на основе германия или селена, как и более ста лет назад. Эти материалы обладают специфической структурой, которая позволяет применять элементы для модернизации схем и электроприборов, а также проводить преобразование разных токов.

В мире существуют разные типы таких изобретений, которые отличаются материалом изготовления, принципом действия и сферами применения. Особым спросом пользуются плоскостные и поликристаллические выпрямители, представляющие собой аналоги мостов. Они взаимодействуют посредством двух контактов.

Что касается плюсов приборов, то к ним следует отнести:

1. Полную взаимозаменяемость. Вышедший из строя элемент можно заменить любым другим с такими же свойствами и принципом работы. Особых требований к выбору точно такой же модели нет.
2. Высокую пропускную способность.
3. Дешевизну и доступность. Продаются полупроводниковые диоды в каждом магазине с электротехническими товарами. Стоимость такой продукции составляет от 50 рублей. К тому же их можно изъять своими руками из схем старых устройств.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

Аноды с положительным зарядом воздействуют на электроны и притягивают их, а образованное поле выступает в качестве катализатора такой реакции. Также в этот момент формируется эмиссионный ток.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Устройство и конструкция

Разобравшись с принципом работы полупроводникового диода, можно начать изучать его устройство и конструкцию. Эти сведения понадобятся для дальнейшего использования диода и более глубокого понимания его рабочих свойств. В основе элемента лежат такие составляющие:

1. Внешняя оболочка. В качестве корпуса используется небольшой баллон. Он полностью вакуумный и может быть стеклянным, металлическим или изготовленным из керамики.
2. Внутри конструкции находится два электрода. Первый используется в качестве катода с накалом, обеспечивающим стабильную эмиссию электронов. В самом простом исполнении он являет собой нить с минимальной толщиной, способную накаливаться по мере подачи тока. Но в настоящее время активно распространяются модели косвенного накала. В отличие от классических типов они представлены в виде небольших цилиндров со специфическим слоем, где происходит испускание электронов.
3. Что касается второго электрода, то он является анодом, принимающим электроны от катода. Элемент обладает плюсовым зарядом и цилиндрической формой. При изготовлении кристалла диода применяется кремний или германий.

Сферы применения и назначение

Сферы применения полупроводниковых диодов очень обширны. Сегодня без них тяжело представить работу большинства электрических приборов, и это неудивительно. Элементы задействуются для изготовления диодных мостов, а также следующих приспособлений:

1. Устройств для защиты приборов от неверной полярности или перегрузок.
2. Переключателей.
3. Систем диодной искрозащиты.

Что касается диодных мостов, то они представляют собой устройство из четырех, шести или двенадцати соединенных диодов (точное количество диодов определяется типом схемы, которая бывает 1-фазной, 3-фазной полумостовой или 3-фазной полномостовой). Система используется в качестве выпрямителя и зачастую устанавливается в генераторах автомобилей. Дело в том, что применение такого моста позволило существенно уменьшить устройство и сделать его более надежным.

Диодные детекторы состоят из диодов и конденсаторов, что позволяет осуществлять модуляцию с низкими частотами из разных сигналов, включая амплитудно-модулированный радиосигнал. Устройства незаменимы для функционирования различных бытовых приборов, например, телевизор или радиоприемник. Также с помощью полупроводниковых диодов можно обеспечить полноценную защиту от нарушения полярности при запуске съемных входов и перегрузках.

Задача переключателей на основе диодов заключается в коммутации высокочастотных сигналов. Для управления схемой используется постоянный электроток, разделение частот и подача сигнала к конденсаторам. Также на основе диодов создается мощная искрозащита, предотвращающая перегрузки и отклонения от допустимого предела напряжения.

Без применения диодов в современной электронике практически не обойтись. Поэтому очень полезно знать, как устроены, как работают и для чего предназначаются столь распространенные устройства.

Способы включения

На r-n переход воздействуют внешние напряжения, а также величина и полярность, которые влияют на конечные показатели электрического тока. При использовании прямого включения положительно заряженный проводник подключается к области р-типа, а отрицательный полюс к области n-типа. В таком случае события будут развиваться следующим образом:

1. Из-за подающего внешнего напряжения в переходе r-n-типа произойдет образование электрического поля, которое будет направлено в противоположную сторону от диффузионного поля внутри.
2. После этого показатели напряжения поля заметно упадут, что сузит запирающий слой.
3. Дальше большая часть электронов сможет перемещаться из одной области в другую, а затем возвращаться обратно.
4. Параметры дрейфующего тока останутся неизменными, так как на них влияет лишь количество заряженных носителей в области r-n.

При росте обратного напряжения ток будет достигать наивысших показателей и перейдет в следующую стадию — насыщение. По мере повышения температуры растут параметры тока насыщения.

Распространенные неисправности

Порой полупроводниковые приборы перестают функционировать, что объясняется естественной амортизацией или завершением установленного эксплуатационного срока. Существуют и другие типы неисправностей, к которым следует отнести:

1. Пробой перехода. При таком явлении полупроводник становится обычным проводником, который не имеет установленных свойств и не удерживает электрический ток в установленном направлении. Решить проблему можно с помощью стандартного мультиметра, подающего звуковой сигнал и определяющего уровень сопротивления.
2. Обрыв перехода. Представляет собой обратный процесс, в результате которого прибор превращается в изолятор. Электрический ток в таком случае пропускается только в одном направлении. Чтобы определить место обрыва, необходимо задействовать тестер с работающими щупами. Если эти элементы недостаточно качественные, то провести точную и правильную диагностику не удастся.
3. Нарушение герметичности. Любая утечка является серьезной угрозой для нормальной работы полупроводниковых приборов.

Типы пробоев

Существует несколько типов пробоев, которые происходят при росте показателей обратного тока. К ним относятся:

1. Тепловые пробои.
2. Электрические пробои.

Первая опасность происходит при несбалансированной работе теплоотводящего элемента или при перегреве r-n-перехода из-за воздействия чрезмерно высоких показателей тока. Проблема теплового пробоя может привести к массе неприятных последствий, включая:

1. Рост колебания атомов из состава кристалла.
2. Взаимодействие электронов с проводимой областью.
3. Стремительный рост температурных показателей.
4. Деформационные процессы в структуре кристаллов.
5. Полное повреждение радиокомпонента.

Что касается электрического пробоя, то его нельзя назвать необратимым процессом, ведь при такой неприятности кристалл остается работоспособным. Поэтому вовремя принятые меры позволят сохранить диод от разрушения, а также продлить срок его службы.

В зависимости от типа электрические пробои бывают туннельными и лавинными. В первом случае неприятность развивается из-за прохождения чрезмерно высокого напряжения через узкие переходы, в результате чего электроны свободно проскакивают сквозь пробой. Образуются такие дефекты при появлении в молекулах большого количества примесей. Явление вызывает рост обратного тока и снижение напряжения.

Что касается лавинных пробоев, то они случаются из-за воздействия сильных полей, которые разгоняют носитель до пиковых показателей, а затем вышибают из атомов массу валентных электронов. Из-за этого электроны попадают в проводимую область, теряя свои свойства. Специфическое поведение, напоминающее по характеру схождение лавины, стало называться лавинным пробоем.

Без сомнений, современные электроприборы и различные радиотехнические изобретения не могут полноценно функционировать без полупроводниковых диодов. И чтобы продлить срок службы бытовой техники с этими элементами, необходимо знать о принципе их работы, основных неисправностях и способах борьбы с ними.

Полупроводниковые диоды: типы, классификация, принцип действия, характеристики, устройство и применение

Полупроводниковые диоды широко применяются в электронике и электронной промышленности. Они используются как самостоятельно, так и в качестве p-n-перехода транзисторов и многих других устройств. Как дискретный компонент диоды являются ключевой частью многих электронных схем. Они находят множество применений, начиная от маломощных приложений до выпрямителей тока.

Что такое диод?

В переводе с греческого название данного электронного элемента буквально обозначает «два вывода». Они называются анодом и катодом. В цепи ток проходит от анода к катоду. Полупроводниковый диод является односторонним элементом, и движение тока в противоположном направлении блокируется.

Принцип действия

Устройство полупроводниковых диодов очень разное. Это является причиной того, что существует много их типов, которые различаются как по номиналу, так и по исполняемым ими функциям. Тем не менее в большинстве случаев основной принцип работы полупроводниковых диодов одинаков. Они содержат р-n-переход, который и обеспечивает их базовую функциональность.

Этот термин обычно используется по отношению к стандартной форме диода. В действительности же он применим практически к любому их типу. Диоды составляют основу современной электронной промышленности. Все – от простых элементов и транзисторов до современных микропроцессоров – базируется на полупроводниках. Принцип действия полупроводникового диода основан на свойствах полупроводников. Технология опирается на группу материалов, внесение примесей в кристаллическую решетку которых позволяет получить участки, в которых носителями заряда являются дырки и электроны.

Р-n-переход

Диод р-n-типа получил свое название потому, что в нем используется р-n-переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Элемент обладает и другими свойствами, которые также находят широкое применение. Полупроводниковые диоды, например, способны излучать и регистрировать свет, изменять емкость и регулировать напряжение.

P-n-переход является базовой полупроводниковой структурой. Как следует из названия, он представляет собой соединение между областями p- и n-типа. Переход позволяет носителям заряда двигаться только в одном направлении, что, например, дает возможность преобразовывать переменный ток в постоянный.

Стандартные диоды обычно производятся из кремния, хотя также используется германий и другие полупроводниковые материалы, в основном для специальных целей.

Вольт-амперная характеристика

Диод характеризуется вольт-амперной кривой, которую можно разделить на 2 ветви: прямую и обратную. В обратном направлении ток утечки близок к 0, но с ростом напряжения он медленно увеличивается и при достижении напряжения пробоя начинает резко возрастать. В прямом направлении ток быстро нарастает с увеличением приложенного напряжения выше порога проводимости, который составляет 0,7 В для диодов из кремния и 0,4 В из германия. Элементы, в которых используются другие материалы, имеют другие вольт-амперные характеристики и напряжения порога проводимости и пробоя.

Диод c р-n-переходом можно рассматривать как устройство базового уровня. Он широко используется во многих приложениях – от сигнальных цепей и детекторов до ограничителей или подавителей переходных процессов в индукционных или релейных катушках и выпрямителей высокой мощности.

Характеристики и параметры

Спецификации диодов предоставляют большой объем данных. При этом точные пояснения того, что они собой представляют, не всегда доступны. Ниже приведены подробные сведения о различных характеристиках и параметрах диода, которые приводятся в спецификациях.

Материал полупроводника

Материал, используемый в р-n-переходах, имеет первостепенное значение, поскольку он влияет на многие основные характеристики полупроводниковых диодов. Наиболее широко применяется кремний, поскольку он отличается высокой эффективностью и низкими производственными издержками. Еще одним часто используемым элементом является германий. Другие материалы, как правило, применяются в диодах специального назначения. Выбор полупроводникового материала важен, поскольку от него зависит порог проводимости – около 0,6 В для кремния и 0,3 В для германия.

Падение напряжения в режиме прямого тока (U пр.)

Любая электрическая цепь, через которую проходит ток, вызывает падение напряжения, и этот параметр полупроводникового диода имеет большое значение, особенно для выпрямления, когда потери мощности пропорциональны U пр. Кроме того, электронные элементы часто должны обеспечивать небольшое падение напряжения, поскольку сигналы могут быть слабыми, но им все же необходимо преодолеть его.

Это происходит по двум причинам. Первая заключается в самой природе р-n-перехода и является результатом напряжения порога проводимости, которое позволяет току преодолеть обедненный слой. Вторая составляющая – нормальные резистивные потери.

Показатель имеет большое значение для выпрямительных диодов, по которым могут проходить большие токи.

Пиковое обратное напряжение (U обр. max)

Это наибольшее обратное напряжение, которое полупроводниковый диод может выдержать. Его нельзя превышать, иначе элемент может выйти из строя. Это не просто среднеквадратичное напряжение входящего сигнала. Каждая цепь должна рассматриваться по существу, но для простого выпрямителя с одной полуволной со сглаживающим конденсатором следует помнить, что конденсатор будет удерживать напряжение, равное пику входного сигнала. Затем диод будет подвергаться действию пика входящего сигнала в обратном направлении, и поэтому в этих условиях будет иметь место максимальное обратное напряжение, равное пиковому значению волны.

Максимальный прямой ток (U пр. max)

При проектировании электрической цепи необходимо удостовериться в том, что не превышаются максимальные уровни тока диода. По мере увеличения силы тока выделяется дополнительное тепло, которое необходимо отводить.

Ток утечки (I обр.)

В идеальном диоде обратного тока не должно быть. Но в реальных р-n-переходах он есть из-за присутствия в полупроводнике неосновных носителей заряда. Сила тока утечки зависит от трех факторов. Очевидно, что наиболее значимым из них является обратное напряжение. Также ток утечки зависит от температуры – с ее ростом он значительно повышается. Кроме того, он сильно зависит от типа полупроводникового материала. В этом отношении кремний намного лучше германия.

Ток утечки определяется при определенном обратном напряжении и конкретной температуре. Обычно он указывается в микроамперах (μA) или пикоамперах (pA).

Емкость перехода

Все полупроводниковые диоды обладают емкостью перехода. Обедненная зона представляет собой диэлектрический барьер между двумя пластинами, которые формируются на краю обедненного участка и области с основными носителями заряда. Фактическое значение емкости зависит от обратного напряжения, которое приводит к изменению переходной зоны. Его увеличение расширяет обедненную зону и, следовательно, уменьшает емкость. Этот факт используется в варакторах или варикапах, но для других применений, особенно радиочастотных, этот эффект необходимо свести к минимуму. Параметр обычно указывается в pF при заданном напряжении. Для многих радиочастотных применений доступны специальные низкоомные диоды.

Тип корпуса

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды производятся в корпусах разного типа и формы. В некоторых случаях, особенно при использовании в схемах обработки сигналов, корпус является ключевым элементом в определении общих характеристик этого электронного элемента. В силовых цепях, в которых важно рассеивание тепла, корпус может определять многие общие параметры диода. Устройствам большой мощности необходимо иметь возможность крепления к радиатору. Небольшие элементы могут производиться в свинцовых корпусах или в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Типы диодов

Иногда бывает полезно ознакомиться с классификацией полупроводниковых диодов. При этом некоторые элементы могут относиться к нескольким категориям.

Обращенный диод. Хотя он и не так широко используется, представляет собой разновидность элемента р-n-типа, который по своему действию очень похож на туннельный. Отличается низким падением напряжения в открытом состоянии. Находит применение в детекторах, выпрямителях и высокочастотных переключателях.

Инжекционно-пролетный диод. Имеет много общего с более распространенным лавинно-пролетным. Используется в СВЧ-генераторах и системах сигнализации.

Диод Ганна. Не относится к р-n-типу, но представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами. Он обычно используется для генерации и преобразования сигналов СВЧ в диапазоне 1-100 ГГц.

Светоизлучающий или светодиод – один из наиболее популярных типов электронных элементов. При прямом смещении ток, протекающий через переход, вызывает излучение света. В них используются составные полупроводники (например, арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид индия), и они могут светиться разными цветами, хотя первоначально ограничивались только красным. Существует множество новых разработок, которые меняют способ функционирования и производства дисплеев, примером которых являются OLED-светодиоды.

Фотодиод. Используется для обнаружения света. Когда фотон попадает на p-n-переход, он может создавать электроны и дырки. Фотодиоды обычно работают в условиях обратного смещения, при которых можно легко обнаружить даже небольшой ток, возникающий в результате действия света. Фотодиоды можно использовать для генерации электроэнергии. Иногда в качестве фотоприемников применяются элементы pin-типа.

Pin-диод. Название электронного элемента хорошо описывает устройство полупроводникового диода. У него стандартные области р- и n-типа, но между ними существует внутренняя область без примесей. Она оказывает эффект увеличения площади области истощения, которая может быть полезна для переключения, а также в фотодиодах и т. д.

Стандартный р-n-переход можно рассматривать как обычный или стандартный тип диода, который используется сегодня. Они могут применяться в радиочастотных или других низковольтных устройствах, а также в высоковольтных и высокомощных выпрямителях.

Диоды Шоттки. Имеют более низкое прямое падение напряжения, чем стандартные кремниевые полупроводники р-n-типа. При малых токах оно может составлять от 0,15 до 0,4 B, a не 0,6 В, как у кремниевых диодов. Для этого они изготавливаются не как обычно – в них используется контакт металл-полупроводник. Они широко применяются в качестве ограничителей, выпрямителей и в радиоаппаратуре.

Диод с накоплением заряда. Представляет собой разновидность СВЧ-диода, используемого для генерации и формирования импульсов на очень высоких частотах. Его работа основана на очень быстрой характеристике отключения.

Лазерный диод. Отличается от обычного светоизлучающего, поскольку производит когерентный свет. Лазерные диоды применяются во многих устройствах – от DVD и CD-приводов до лазерных указок. Они намного дешевле других форм лазеров, но значительно дороже светодиодов. Отличаются ограниченным сроком эксплуатации.

Туннельный диод. Хотя сегодня он широко не используется, ранее применялся в усилителях, генераторах и переключающих устройствах, схемах синхронизации осциллографов, когда он был эффективнее других элементов.

Варактор или варикап. Используется во многих радиочастотных устройствах. У данного диода обратное смещение меняет ширину слоя истощения в зависимости от приложенного напряжения. В этой конфигурации он действует как конденсатор с областью истощения, выполняющей роль изолирующего диэлектрика, и пластинами, образованными проводящими областями. Применяется в генераторах, управляемых напряжением, и радиочастотных фильтрах.

Стабилитрон. Является очень полезным типом диода, поскольку обеспечивает стабильное опорное напряжение. Благодаря этому стабилитрон используется в огромных количествах. Работает в условиях обратного смещения и пробивается при достижении определенной разницы потенциалов. Если ток ограничен резистором, то это обеспечивает стабильное напряжение. Широко используется для стабилизации источников питания. В стабилитронах имеют место 2 вида обратного пробоя: разложение Зинера и ударная ионизация.

Таким образом, различные типы полупроводниковых диодов включают элементы для маломощных и высокомощных применений, излучающие и обнаруживающие свет, с низким прямым падением напряжения и переменной емкостью. В дополнение к этому существует ряд разновидностей, которые используются в СВЧ-технике.

Полупроводниковые приборы — виды, обзор и использование

Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы . Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые материалы по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Основными материалами для производства полупроводниковых приборов являются кремний (Si), карбид кремния (SiС), соединения галлия и индия.

Электропроводность полупроводников зависит от наличия примесей и внешних энергетических воздействий (температуры, излучения, давления и т.д.). Протекание тока обуславливают два типа носителей заряда – электроны и дырки. В зависимости от химического состава различают чистые и примесные полупроводники.

Для изготовления электронных приборов используют твердые полупроводники, имеющие кристаллическое строение.

Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.

На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы :

Линейный резистор — удельное сопротивление мало зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах.

Варистор — сопротивление зависит от приложенного напряжения.

Терморезистор — сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает).

Фоторезистор — сопротивление зависит от освещенности (излучения). Тензорезистор — сопротивление зависит от механических деформаций.

Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода .

Это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, работа которого основана на свойствах p-n — перехода.

Основным свойством p-n – перехода является односторонняя проводимость – ток протекает только в одну сторону. Условно-графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая и указывает направление протекания тока через прибор.

Конструктивно диод состоит из p-n-перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод.

Т.е. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду.

Зависимость тока через прибор от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) прибора I=f(U). Односторонняя проводимость диода видна из его ВАХ (рис. 1).

Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, туннельные и обращенные диоды, светодиоды и фотодиоды.

Односторонняя проводимость определяет выпрямительные свойства диода. При прямом включении («+» на анод и «-» на катод) диод открыт и через него протекает достаточно большой прямой ток. В обратном включении («-» на анод и «+» на катод) диод заперт, но протекает малый обратный ток.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц) в постоянны, т.е. для выпрямления. Их основными параметрами являются максимально допустимый прямой ток Iпр mах и максимально допустимое обратное напряжение Uo6p max. Данные параметры называют предельными – их превышение может частично или полностью вывести прибор из строя.

С целью увеличения этих параметров изготавливают диодные столбы, сборки, матрицы, представляющие собой последовательно-параллальное, мостовое или другие соединения p-n-переходов.

Универсальные диоды служат для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц). Параметры этих диодов те же, что и у выпрямительных, только вводятся еще дополнительные: максимальная рабочая частота (мГц) и емкость диода (пФ).

Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсного сигнала, применяются в быстродействующих импульсных схемах. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсный характер подводимого напряжения — малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно.

Стабилитроны — это полупроводниковые диоды, падение напряжения на которых мало зависит от протекающего тока. Служат для стабилизации напряжения.

Варикапы — принцип действия основан на свойстве p-n-перехода изменять значение барьерной емкости при изменении на нем величины обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением. В схемах варикапы включаются в обратном направлении.

Светодиоды — это полупроводниковые диоды, принцип действия которых основан на излучении p-n-переходом света при прохождении через него прямого тока.

Фотодиоды – обратный ток зависит от освещенности p-n-перехода.

Диоды Шоттки – основаны на переходе металл-полупроводник, за счет чего обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды.

Рисунок 2 – Условно-графическое обозначение диоды

Подробнее о диодах смотрите здесь:

Транзистор — это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей.

Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток — действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины.

С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.

Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor — управляемый резистор. Это название неслучайно, так как под действием приложенного к транзистору входного напряжения сопротивление между его выходными зажимами может регулироваться в очень широких пределах.

Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.

— по принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.

— по значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.

— по значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.

— по значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.

— по функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.

— по конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.

В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:

1) Активный режим — используется для усиления электрических сигналов в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения — говорят транзистор «приоткрывается» или «подзакрывается».

2) Режим насыщения — сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.

3) Режим отсечки — транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.

Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами, обеспечивающей усиление мощности электрических сигналов.

В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.

На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.

Рисунок 3 — Условно — графическое обозначения транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б)

Основой транзистора является пластина полупроводника, в которой сформированы три участка с чередующимся типом проводимости — электронным и дырочным. В зависимости от чередования слоев различают два вида структуры транзисторов: n-p-n (рис. 3, а) и p-n-p (рис. 3, б).

Эмиттер (Э) — слой, являющийся источником носителей заряда (электронов или дырок) и создающий ток прибора;

Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;

База (Б) — средний слой, управляющий током транзистора.

При включении транзистора в электрическую цепь один из его электродов является входным (включается источник входного переменного сигнала), другой — выходным (включается нагрузка), третий электрод — общий относительно входа и выхода. В большинстве случаев используется схема с общим эмиттером (рис 4). На базу подается напряжение не более 1 В, на коллектор более 1 В, например +5 В, +12 В, +24 В и т.п.

Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Ток коллектора возникает только при протекании тока базы Iб (определяется Uбэ). Чем больше Iб, тем больше Iк. Iб измеряется в единицах мА, а ток коллектора — в десятках и сотнях мА, т.е. IбIк. Поэтому при подаче на базу переменного сигнала малой амплитуды, малый Iб будет изменяться, и пропорционально ему будет изменяться большой Iк. При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки, на нем будет выделяться сигнал, повторяющий по форме входной, но большей амплитуды, т.е. усиленный сигнал.

К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.

Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.

Биполярные транзисторы ныне используются все реже и реже, особенно в импульсной силовой технике. Их место занимают полевые транзисторы MOSFET и комбинированные транзисторы IGBT , имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.

В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.

Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.

Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, регулирующий ток в цепи за счет изменения сечения проводящего канала.

Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.

У полевых транзисторов с изолированным затвором между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика — МДП-транзисторы (металл — диэлектрик — полупроводник), частный случай — окисел кремния — МОП-транзисторы.

МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.

Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.

Подробнее о транзисторах смотрите здесь:

Тиристор — это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.

Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.

Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.

Рисунок 5 — Условно — графическое обозначение тиристоров

Динисторы (двухэлектродные) — как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается.

Тиристоры (тринисторы — трехэлектродные) — имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод.

Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.

Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.

Симисторы (симметричные тиристоры) — проводят ток в обоих направлениях.

Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.

Применение полупроводниковых диодов

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые диоды, обладающие односторонней проводимостью благодаря вольт – амперной характеристике p –n перехода или перехода Шотки, находят весьма широкое и разнообразное применение в радиотехнических устройствах. Нелинейность прямой ветви вольт – амперной характеристики (ВАХ) используется для преобразования спектра входного сигнала, например для детектирования модулированных сигналов, или выделения суммарной или разностной частоты при подаче на вход двух сигналов разной частоты. Односторонняя проводимость диодов используется для выпрямления переменного тока, т.е. преобразования его в пульсирующий ток одного направления, из которого затем с помощью фильтров получают постоянный по величине и направлению ток.

Явление пробоя и обратная ветвь ВАХ после пробоя p — n перехода используется в диодах специальной конструкции (стабилитронах) для стабилизации напряжения и тока в нагрузке при случайных изменениях этих величин. Наличие барьерной емкости p – n перехода и ее зависимость от величины обратного напряжения используется для электрического управления емкостью различных электрических цепей, например, колебательных контуров, с использованием диодов специальной конструкции – варикапов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Диодный выпрямитель

Переменный ток промышленной частоты 50 Гц, энергией которого питается абсолютное большинство бытовых и промышленных приборов и машин абсолютно не пригоден для питания радиоэлектронных устройств, для работы которых необходимы источники питания постоянного (по величине и направлению) тока или напряжения. Получение такого тока или напряжения из переменного осуществляется в несколько этапов, одним из которых является выпрямление. В результате этой операции из синусоидального переменного тока получают постоянный по направлению, но изменяющийся по величине – пульсирующий ток (напряжение).

Эту операцию практически повсеместно сейчас выполняют с помощью полупроводниковых диодов, используя их одностороннюю проводимость. Для удобства и наглядности несколько идеализируем вольт – амперную характеристику (ВАХ) диода, считая обратный ток пренебрежительно малым, а прямую ветвь заменим прямой (рис.1).

. На рис.1,а реальная ВАХ показана штриховой линией, и добавлена еще одна координатная ось времени, позволяющая изобразить закон изменения входного напряжения диода от времени. На рис.1,б показан закон изменения тока, протекающего через диод, от времени.

Из графиков нетрудно понять, что диод открыт и пропускает ток только при положительной полуволне входного напряжения, а при отрицательной полуволне на диод действует запирающее обратное напряжение и ток в цепи не проходит, с учетом принятой нами идеализации ВАХ. По этой же причине (линейность прямой ветви) ток в цепи будет представлять собой последовательность синусоидальных импульсов, длительность которых и интервал между импульсами равны половине периода.

Если в качестве нагрузки включить резистивный элемент (рис.2), то падение напряжения на нем будет повторять по форме ток. С помощью последующих операций фильтрации и стабилизации из такого пульсирующего напряжения или тока получают постоянный не только по направлению, но и по величине ток. Выпрямитель на рис.2 называется однополупериодным, поскольку ток в цепи течет только одну половину периода. Есть схемы, использующие два или четыре диода, которые позволяют получить синусоидальные импульсы тока или напряжения в каждом полупериоде с одинаковой полярностью. Такие схемы называются двухполупериодными.

Операция фильтрации пульсирующего напряжения основана на использовании элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Дело в том, что последовательность синусоидальных импульсов можно представить рядом Фурье, в который будет входить постоянная составляющая и бесконечный набор гармонических составляющих с частотами, кратными частоте входного напряжения. Амплитуды этих гармонических составляющих уменьшаются с ростом частоты. Поскольку индуктивный элемент обладает сопротивлением прямо пропорциональным частоте, а емкостный элемент — обратно пропорциональным, то выбрав индуктивный элемент с достаточно большой индуктивностью и включив его последовательно с нагрузкой, а конденсатор достаточно большой емкости включив параллельно нагрузке, можно практически полностью избавиться от гармонических составляющих тока или напряжения в нагрузке, сохранив при этом постоянную составляющую.

Стабилизатор напряжения

Стабилитроны

Функцию стабилизации напряжения на нагрузке при колебаниях входного напряжения, или изменении тока нагрузки выполняют стабилизаторы напряжения. Основным элементом стабилизатора является диод специальной конструкции, рабочим участком ВАХ которого является обратная ветвь в области пробоя. Такие диоды называются стабилитронами.

Полупроводниковые стабилитроны изготавливаются на основе кремния в связи с малым обратным током и резким переходом в область лавинного или туннельного пробоя. Основные виды и механизмы пробоя подробно рассмотрены в лабораторной работе №2. Стабилитроны с напряжением пробоя U_пр 1/2 (N_d, N_a – концентрации донорной и акцепторной примеси), составляет обычно сотые доли мкм, что и обеспечивает возможность квантово – механического туннелирования. Из – за малой ширины перехода и высокой концентрации носителей в области пространственного заряда напряженность электрического поля E достигает значений E = (2…4)*10 5 В/см. При такой напряженности поля на электроны в валентных связях действует электростатическая сила, способная вырвать их из связи и перевести в зону проводимости. Поэтому туннельный пробой называют также зенеровским пробоем по имени ученого, предложившего этот механизм резкого роста числа носителей. Опыт показывает, что туннельный пробой возможен при см -3 . В резких p – n переходах, кроме специальных случаев, концентрация примеси составляет 10 16 …10 17 см -3 . В плавных p – n переходах с линейным или экспоненциальным распределением примесей туннельный пробой возможен только при напряжениях, значительно превышающих напряжение лавинного пробоя, даже при сильном легировании n — и p – областей.

С ростом температуры перехода напряжение туннельного пробоя уменьшается (отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН)), поскольку при этом уменьшается ширина p – n перехода и растет вероятность туннелирования носителей в зону проводимости.

Значение напряжения лавинного пробоя обычно , и зависит оно от ширины запрещенной зоны E_g. Большему значению E_g требуется большая энергия носителя для ударной ионизации, а, значит, и напряжение пробоя будет больше.

Зависимость напряжения лавинного пробоя от материала полупроводника и степени легирования базы диода можно выразить формулой:

(2.1)

где: A и B – коэффициенты, зависящие от материала и типа проводимости полупроводника, — удельное сопротивление базы диода.Для базы диода n – типа, например

(2.2)

где: — подвижность электронов, — концентрация электронов (основных носителей) в базе диода, e – заряд электрона.

При уменьшении степени легирования базы диода уменьшается ее электропроводность σ, растут удельное сопротивление и напряжение лавинного пробоя .

Поскольку коэффициенты A и B в (2.1) не поддаются аналитическому расчету, на практике пользуются полуэмпирическими соотношениями для оценки напряжения пробоя резких несимметричных p – n переходов

(2.3)

и плавных p – n переходов:

(2.4)

где: E_g – ширина запрещенной зоны полупроводника ( E_g(Ge) = 0,67 эВ, E_g(Si) = 1,12 эВ), N – концентрация примеси в слабо легированной области (см -3 ), α – градиент концентрации примеси в плавном p – n переходе (см -4 ).

С ростом температуры полупроводника увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, возрастает вероятность столкновения свободных носителей с ними и уменьшается поэтому длина свободного пробега носителей. Чтобы при меньшей длине пробега носитель набрал необходимую для ионизации атомов энергию, необходимо повышение внешнего напряжения. Поэтому напряжение лавинного пробоя с ростом температуры возрастает (положительный ТКН).

У стабилитронов с напряжением пробоя 5…7В пробой определяется совместным действием туннельного и лавинного механизмов, поэтому у них напряжение пробоя при увеличении температуры практически не изменяется, т.к. ТКН туннельного и лавинного пробоя имеют противоположные знаки и компенсируют друг друга.