Полупроводниковые диоды

Напряжение стабилизации лежит в диапазоне от 3 до 180 В. Для стабилизации более низких напряжений используют прямую ветвь ВАХ, которая также характеризуется крутым нарастанием тока. Соединяя последовательно несколько диодов, удается перекрыть диапазон напряжений ниже 3 В. Диоды, применяемые для этой цели, называют стабисторами. Отличие стабилитрона от стабистора заключается в используемой для стабилизации напряжения ветви ВАХ. Поэтому будет существенные различия, если на стабилизирующий диод подать напряжение противоположной полярности по сравнению с рабочей:

через стабилитрон (если он не двухсторонний) потечет большой ток, величина которого будет ограничена внешними сопротивлениями;

в случаи использования стабистора ток будет определяться обратным током р-п перехода.

К основным параметрам стабилитрона относятся:

Uст– номинальное напряжение стабилизации при заданном токе;

τд – дифференциальное сопротивление  при заданном токе;

Iст min – минимальный ток стабилизации, наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

 – дифференциальное сопротивление,  равное отношению приращения  напряжения стабилизации к вызвавшему  его приращению тока стабилизации;

 – температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации, где DUст – отклонение напряжения Uст от номинального значения Uст ном при изменении температуры в интервале DТ.

Варикап – полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании  зависимости зарядной емкости Сзар от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

 

Рисунок 1.9. Вольт-фарадная характеристика варикапа

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рисунок 1.9) – зависимость емкости варикапа Св от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости Св может изменяться от единиц до сотен пикофарад.

Основными параметрами варикапа являются:

Св – емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;

КС – коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости CB = f(UОБP) и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (КС = 2... 20);

ТКЕВ = DСВ/(СВ DT), – зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости где DСв/Св – относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры DТ окружающей среды.

Условное графическое обозначение варикапа приведено на рисунке 1.8,4.

Туннельный диод – занимает особое место среди полупроводниковых  диодов из-за свойственной ему внутренней положительной обратной связи по напряжению и хороших динамических свойств. Его ВАХ имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления (участок CD на рисунке 1.10). Это объясняется тем, что при очень малых толщинах запорного слоя (10...10 нм и меньше) наблюдается туннельный переход зарядов из валентной зоны в зону проводимости. Туннельный диод, благодаря своей ВАХ, нашел широкое применение в качестве ключевого тензодатчика. Условное графическое обозначение туннельного диода приведено на рисунке 1.8,5.

Рисунок 1.10. ВАХ туннельного диода

 

Излучающий диод – полупроводниковый  диод, излучающий из области p-n перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды; диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИК-диоды. Принцип действия обоих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала.

Основными материалами для изготовления светодиодов служат соединения галлия и карбид кремния. Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения в лучшем случае приходится 10... 20%. Поэтому КПД светодиодов невелик.

Исходными материалами для изготовления ИК-диодов являются арсенид и фосфид галлия. Полная, мощность излучения этой группы диодов лежит в пределах от единиц до сотен милливатт при напряжении на диоде 1,2...3 В и прямом токе от десятков до сотен миллиампер.

Условное графическое обозначение  излучающих диодов показано на рисунке  1.8,6.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды  – в качестве источников излучения  в оптоэлектронных устройствах.

Фотодиод – полупроводниковый  прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – генерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда.

Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический  ток. Условное графическое обозначение фотодиода приведено на рисунке 1.8,7.

Маркировка полупроводниковых  диодов, разработанных после 1964 г., предусматривает шесть символов. Первый символ – буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов специального назначения), указывающая исходный полупроводник: Г (1) – германий, K (2) –кремний, А (3) –GaAS.

Второй символ – буква, обозначающая подкласс диода: Д – выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды: В – варикапы; С – стабилитроны и стабисторы; Л – светодиоды.

Третий символ – цифра, оказывающая  назначение диода (у стабилитронов  – мощность рассеяния) например, 3 – переключательный, 4 – универсальный и т.д.

Четвертый и пятый символы –  двузначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов – номинальное напряжение стабилизации).

Шестой символ – буква, обозначающая параметрическую группу прибора (у  стабилитронов – последовательность разработки).

Примеры маркировки диодов:

ГД412А – германиевый (Г), диод (Д), универсальный (4), номер разработки 12, группа А;

КС196В – кремниевый (К), стабилитрон (С), мощность рассеяния не более 0,3 Вт (1), номинальное напряжение стабилизации 9,6 В (96), третья разработка (В).

Для полупроводниковых диодов с  малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Электрический и тепловой пробои р-n перехода во многих случаях происходят одновременно. При чрезмерном разогреве перехода, когда происходит изменение структуры кристалла, переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновения пробоя ток через р-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющаяся на переходе, невелика, то пробой обратим.

Значения диффузионной емкости  могут иметь порядок от сотен  до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжений емкость р-п перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной емкостью.