Выпрямительными диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n–переходом, имеющие два вывода и предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «Д» (КД202А). Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Графическое изображение выпрямительного диода (Iпр – направление прямого тока)
Вольт - амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода представляет собой зависимость тока, протекающего во внешней цепи диода, от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эту зависимость можно получить экспериментально или рассчитать с помощью уравнения вольт - амперной характеристики идеализированного p-n–перехода
(2.1)
где: I 0 – обратный ток насыщения;
φТ – температурный потенциал, равный (0,026 В) при комнатной температуре (Т = 300 К);
U – напряжение, прикладываемое к диоду.
Теоретический график ВАХ выпрямительного диода, рассчитанный с помощью выражения (2.1), представлен на рис. 2.2,а. При увеличении обратного напряжения Uобр обратный ток Iобр , протекающий через p-n-переход диода, достигает предельного значения I 0уже при Uобр = 0,1…0,2 В. Следует отметить, что чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника и чем выше в нем концентрация примесей, тем меньше величина I 0.
Рис. 2.2. Вольт – амперные характеристики выпрямительного диода:
а – теоретическая; б – экспериментальная
При выводе уравнения (2.1) учитывались только диффузионные компоненты тока, протекающего через p-n-переход, и не учитывались такие явления, как термогенерация носителей зарядов в запирающем слое p-n-перехода, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, а также наличие пробоя при повышении обратного напряжения. Поэтому теоретический график ВАХ выпрямительного диода отличается от графика ВАХ, снятого экспериментально (рис. 2.2,б).
В реальном диоде при некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n-перехода. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Для выпрямительных диодов наибольшее значение имеет тепловой пробой p-n-перехода, так как он приводит к выходу диода из строя.
Тепловой пробой диода обусловлен катастрофическим нарушением его теплового режима. Подводимая к p-n-переходу мощность P = Iобр Uобр расходуется на его нагрев. Образующиеся при этом одноименные носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к увеличению выделяемой мощности и дальнейшему разогреву перехода. При плохих условиях отвода тепла от кристалла процесс принимает лавинообразный характер и заканчивается разрушением кристалла, т.е. выходом диода из строя. Увеличение числа носителей зарядов при нагреве p-n-перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого при тепловом пробое на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 2.2). Так как число носителей (а значит, и обратный ток, и выделяемая в переходе мощность) резко (по экспоненциальному закону) увеличиваются с увеличением температуры, то для исключения теплового пробоя температура p-n-перехода должна быть меньше допустимой температуры перехода , которая для германиевых диодов составляет (70-80) о С, а кремниевых – (120-150) о С. В маломощных диодах для этого достаточно выполнить условие . В мощных диодах кроме этого может потребоваться искусственное охлаждение. Величина является важнейшим параметром диода и приводится в соответствующих справочниках. С увеличением температуры возрастает обратный ток диода, и ухудшаются условия отвода тепла, поэтому с увеличением температуры величина заметно уменьшается.
При прямом включении выпрямительного диода отличия теоретической ВАХ от ВАХ, снятой экспериментально, в основном обусловлены сопротивлением R 1 электронной и дырочной областей за пределами запирающего слоя. Если сопротивление запирающего слоя обозначить через Rзс , то кристалл полупроводника с запирающим слоем можно представить в виде последовательного соединения резисторов Rзс и R 1 (рис. 2.3).
При прохождении прямого тока Iпр
на сопротивлении R
1 падает часть напряжения Uпр
внешнего источника и на запирающем слое действует напряжение 
. В этом случае уравнение ВАХ может быть записано в следующем неявном виде:
Рис. 2.3. Упрощенная эквивалентная схема p-n-перехода
с распределенным сопротивлением полупроводника
Поскольку Uзс < Uпр вольт – амперная характеристика диода, снятая экспериментально, идет ниже теоретической.
С увеличением прямого напряжения Uпр сопротивление запирающего слоя Rзс уменьшается вследствие инжекции в него основных носителей заряда. При большом значении Uпр , сопротивлением запирающего слоя Rзс можно пренебречь и дальнейшее увеличение прямого тока ограничивается распределенным сопротивлением полупроводников p- и n-типа за пределами p-n-перехода. При этом ВАХ диода переходит в прямую линию.
Основными параметрами выпрямительных диодов являются:
Максимально-допустимый прямой ток, при котором температура диода достигает ;
Максимально-допустимое обратное напряжение, при котором не происходит пробоя p-n-перехода диода, обычно ;
Прямое и обратное сопротивления диода постоянному току, определяемые по его ВАХ (рис. 2.2) с использованием следующих соотношений:
R д пр = Uпр1 / Iпр1; R д обр = Uобр / Iобр;
Прямое и обратное дифференциальные сопротивления диода (сопротивления переменному току), которые определяются из следующих соотношений:
r i .пр = ΔUпр / ΔIпр; r i. обр = ΔUобр / ΔIобр.
При этом значения приращений тока ΔI и напряжений ΔU определяются на линейном участке ВАХ в окрестности заданной точки Х (рис. 2.2). Из-за нелинейности ВАХ диода и обе эти величины зависят от рабочей точки, т.е. от величины постоянного напряжения, приложенного к диоду.
В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой 
, средней 
и большой мощности. Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом. Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения, для диодов большой мощности может потребоваться и искусственное охлаждение.
Характеристики и параметры выпрямительных диодов существенно зависят от полупроводникового материала, в первую очередь от ширины запрещенной зоны ΔW. На рис. 2.4 представлены вольт – амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Так как ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно (несколько порядков) меньше.
У германиевого диода на обратной ветви ВАХ имеется ярко выраженный участок насыщения, поскольку его обратный ток определяется током экстракции, который описывается уравнением (2.1). Обратный ток кремниевого диода монотонно возрастает с увеличением U обр , так как у кремниевых диодов ток экстракции весьма мал и обратный ток определяется главным образом токами термогенерации и утечки.
Рис. 2.4. Вольт - амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов
При дальнейшем увеличении обратного напряжения в диодах происходит пробой. Вследствие большого обратного тока у германиевых диодов наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой, который может перейти в тепловой пробой при слишком большом увеличении тока.
Прямой ток полупроводникового диода также зависит от ΔW , так как увеличение ΔW приводит к увеличению потенциального барьера в переходе и, следовательно, к уменьшению прямого тока. Сравнение германиевых и кремниевых диодов легко провести с помощью формулы (2.1): вследствие меньшего значения I 0 для кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому при одних и тех же значениях I пр , мощность, рассеиваемая германиевыми диодами, меньше чем кремниевыми. По этой же причине у германиевых диодов существенно меньше U пор и r i пр .
На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее термогенерация носителей зарядов, что приводит к увеличению как обратного, так и прямого тока диода, однако причины этого роста неодинаковы.
Обратный ток является током неосновных носителей зарядов, и увеличение их концентрации в результате усиления термогенерации непосредственно ведет к росту обратного тока. Прямой ток является током основных носителей зарядов, концентрация которых в рабочем диапазоне температур от температуры не зависит. Однако увеличение концентрации неосновных носителей зарядов при повышении температуры приводит к уменьшению высоты потенциального барьера перехода, что и вызывает увеличение прямого тока.
Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 О С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых – в 2,5 раза. Однако вследствие того, что при комнатной температуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у кремниевого, абсолютное значение приращения обратного тока у германиевого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем у кремниевого. Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощности, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя.
Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор с одним или несколькими электрическими переходами и двумя выводами для подключения к внешней цепи. Принцип действия большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрических переходах.
Диоды классифицируются: по материалу (селеновые, германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые); структуре перехода (точечные, плоскостные); назначению (выпрямительные, импульсные, стабилитроны и т.д.); диапазону частот (низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные диоды (СВЧ-диоды)); виду вольт-амперной характеристики и т.д.
В зависимости от технологических процессов, используемых при изготовлении диодов, различают: микросплавные, сплавные, диффузионные, планарно-эпитак-
сиальные диоды и их разновидности. Устройство полупроводникового диода, изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии, приведено на рис. 3.4. Вся структура с электрическим переходом заключается в металлический, стеклянный, керамический или пластмассовый корпус для исключения влияния окружающей среды.
Система обозначений полупроводниковых диодов. Для маркировки полупроводниковых диодов используется буквенно-цифровая система условных обозначений согласно ОСТ 11.336.919-81.
Первый элемент – буква или цифра, характеризует используемый материал: Г(1) – германий (Ge); К(2) – кремний (Si); А(3) – галлий (Ga) и его соединения; И(4) – индий In и его соединения. Второй элемент – буква, характеризует функциональное назначение диода: Д – выпрямительный; В – варикап; И – туннельный и обращенный; С – стабилитрон и стабистор; Л – излучающий светодиод. Третий элемент – цифра, характеризует назначение диода и содержит информацию о специальных параметрах диода. Например, для диодов группы Д: 1 – выпрямительные маломощные (ток до 300 мА); 2 – выпрямительные средней мощности (ток до 10 А); 3 – диоды большой мощности (ток свыше 10 А); 4–9 – диоды импульсные с различным временем восстановления. Четвертый элемент (2–3 цифры) – порядковый номер разработки (для стабилитрона – напряжение стабилизации в десятых долях вольта). Пятый элемент – буква, характеризует группу диодов с различными параметрами.
Условные графические обозначения полупроводниковых диодов на схемах электрических принципиальных представлены на рис. 3.5. Выводы диода называются катод и анод. Катод – вывод прибора, через который ток вытекает во внешнюю цепь. Анод – вывод прибора, через который ток втекает в прибор
из внешней цепи.
Вольт-амперная характеристика, пробой и общие параметры диодов. Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к его выводам внешнего напряжения называется ВАХ диода:
, (3.1)
где – тепловой потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К; – обратный ток насыщения , сильно зависящий от температуры. Уравнение (3.9) называют теоретической, или идеализированной, ВАХ диода . В нем не учтено последовательное сопротивление потерь диода , т.е. суммарное эквивалентное активное сопротивление кристалла, омических контактов и выводов диода . С учетом этого сопротивления реальная ВАХ диода имеет вид
. (3.2)
На рис. 3.6 изображены реальная ВАХ (сплошная линия) и теоретическая ВАХ (пунктирная линия). Из-за существенного различия значений прямого и обратного токов и напряжений прямые и обратные ветви ВАХ выполнены в различном масштабе. Прямая ветвь реальной ВАХ, как следует из (3.10), сдвинута в сторону больших значений прямых напряжений при . Различие между теоретической и реальной ВАХ в области обратных напряжений обусловлено неучтенной в (3.9) и (3.10) тепловой генерацией носителей заряда в обедненном слое. С ростом обратного напряжения ширина , а значит, и объем обедненного слоя растет, что приводит к росту числа процессов термогенерации электронно-дырочных пар, которые полем обратновключенного перехода выносятся из области перехода, увеличивая обратный ток. Поэтому не остается постоянным, а медленно возрастает с ростом . Более того, при достижении обратным напряжением некоторого критического значения, называемого напряжением пробоя , наблюдается резкий рост обратного тока. Данное явление называется пробоем перехода диода (см. рис. 3.6, кривая а).
Различают два основных вида пробоя: электрический пробой
и тепловой
. В свою очередь электрический пробой делится на лавинный и туннельный. Лавинный пробой
характерен для диодов с широкими переходами, образованными областями с невысокой концентрацией легирующей примеси (
). Если длина свободного пробега носителей заряда меньше ширины перехода, то при больших значениях обратного напряжения (от 7 до 400 В) носители заряда приобретают кинетическую энергию, достаточную для развития лавинообразного процесса ионизации атомов полупроводника, что и вызывает резкий рост обратного тока при почти неизменном .
Туннельный пробой
развивается в диодах с очень узкими переходами, образованными областями с высокой концентрацией легирующей примеси (
). Туннельный пробой p-n-перехода обусловлен квантово-механическим туннельным эффектом
, когда из-за малой толщины энергетического потенциального барьера имеется высокая вероятность прохождения зарядов сквозь него без изменения энергии. При определенном обратном напряжении происходит туннельное проникновение электронов валентной зоны p-области на свободные энергетические уровни зоны проводимости n-области.
В планарных диодах (см. рис. 3.4) электрический пробой происходит на участке перехода, выходящем на поверхность полупроводниковой структуры, так называемый поверхностный пробой . Это обусловлено наличием на поверхности n-базы диода положительного объемного заряда, который приводит к уменьшению толщины перехода вблизи поверхности и соответствующему уменьшению напряжения пробоя.
Тепловой пробой возникает вследствие перегрева электрического перехода протекающим через него обратным током при недостаточном теплоотводе. За счет термогенерации носителей в переходе возрастает обратный ток диода, и рост подводимой к диоду мощности приводит к еще большему разогреву перехода. Если температура диода превысит допустимое значение, структура перехода претерпевает необратимые изменения, и диод выходит из строя. На участке теплового пробоя (см. рис. 3.6, кривая б) уменьшается при возрастании .
На ВАХ диода существенно влияет температура окружающей среды (рис. 3.7). С ростом температуры ток возрастает по экспоненциальному закону , где DW – ширина запрещенной зоны материала полупроводника. В инженерных расчетах полагают, что ток удваивается на каждые 10 °С в германиевых диодах, а в кремниевых на каждые 7 °C.
С ростом температуры растет прямой ток диода при фиксированном напряжении или уменьшается падение напряжения на диоде при фиксированном прямом токе . Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ диода оценивают температурным коэффициентом напряжения
, численно равным изменению прямого напряжения на диоде при увеличении температуры на . При расчетах для большинства диодов принимают 
.
Диоды характеризуются рядом параметров, которые являются общими для всех типов диодов. К ним относятся:
рабочий диапазон температур перехода ;
максимально допустимый прямой ток , при котором температура перехода достигает максимального значения ;
максимально допустимое обратное напряжение , при котором не происходит пробоя p-n-перехода, обычно 
;
прямая и обратная максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде:
где – температура окружающей среды; – тепловое сопротивление перехода, характеризующее условия теплоотвода;
прямое и обратное статическое сопротивление диода (сопротивление постоянному току):
; 
; (3.5)
прямое и обратное дифференциальное сопротивление (сопротивление переменному току):
; 
. (3.6)
Дифференциальное сопротивление диода значительно меньше статического.
Величину называют коэффициентом выпрямления (характеризует односторонний характер проводимости диода, т.к. .
Способность диода накапливать электрические заряды отражается его емкостными параметрами. Существует два механизма накопления зарядов, которые описываются двумя емкостными параметрами.
Барьерная емкость отражает наличие объемного электрического заряда ионизированных атомов примеси в p-n-переходе, который можно рассматривать как плоский конденсатор. Расстояние между обкладками этого конденсатора определяется шириной p-n-перехода . Выражение для зависимости барьерной емкости от напряжения на переходе имеет вид
, (3.7)
где – площадь поперечного сечения перехода; 
– величина барьерной емкости при нулевом напряжении на переходе ; – параметр, значение которого определяется профилем легирования перехода; – обратное напряжение на переходе. Величина барьерной емкости составляет десятки – сотни пикофарад, поэтому ее действие проявляется практически только при обратном включении, когда переход закрыт и протекают малые обратные токи.
Диффузионная емкость отражает накопление электрического заряда неосновных неравновесных носителей в p- и n-областях при прямом включении перехода. Величина диффузионной емкости пропорциональна прямому току перехода:
, (3.8)
где – эффективное время жизни неосновных неравновесных носителей. При прямом токе перехода 10 мА величина диффузионной емкости составляет десятки – сотни нанофарад. В случае несимметричного перехода накопление неравновесных носителей происходит преимущественно в базе диода.
Кроме общих параметров диоды характеризуются специальными параметрами , присущими только данному типу диодов.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока с частотой от 50 до 20 000 Гц в пульсирующий ток одного направления и широко используются в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. В качестве полупроводникового материала для таких диодов ранее использовали германий, в настоящее время – кремний и арсенид галлия. Принцип работы выпрямительных диодов основан на вентильном свойстве p-n-перехода. Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности. Диоды малой мощности предназначены для выпрямления токов до 300 мА, средней и большой мощности – для выпрямления токов соответственно от 300 мА до 10 А и от 10 до 1000 А. Преимущества кремниевых диодов по сравнению с германиевыми: малые обратные токи; возможность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших значениях обратных напряжений. Преимущество германиевых диодов – малое падение напряжения 0,3¼0,6 В при протекании прямого тока (по сравнению с 0,8¼1,2 В у кремниевых).
В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Барьерная емкость перехода из-за большой площади велика и ее значение достигает десятков пикофарад. Германиевые диоды могут быть использованы при температурах не более 70¼80 °С, кремниевые – до 120¼150 °С, арсенид-галлиевые – до 240¼280 °С. Другим преимуществом диодов из арсенида галлия является значительно большая подвижность носителей, что позволяет их использовать на частотах до 100…500 кГц.
Максимальное обратное напряжение маломощных низкочастотных выпрямительных диодов лежит в пределах от нескольких десятков до 1200 В. Для более высокого напряжения промышленностью выпускаются выпрямительные столбы, использующие несколько последовательно соединенных диодов в одном корпусе. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА – для кремниевых.
Мощные (силовые) диоды различаются по частотным свойствам и работают на частотах в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц и изготавливаются преимущественно из кремния.
Работа при больших прямых токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в p-n-переходе. Поэтому в установках с диодами средней и большой мощности используются охладители – радиаторы с воздушным и жидкостным охлаждением. При воздушном охлаждении тепло отводится с помощью радиатора. При этом охлаждение может быть естественным (за счет конвекции воздуха) или принудительным (с использованием обдува корпуса прибора и радиатора с помощью вентилятора). При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость (вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости).
К основным параметрам выпрямительных диодов относятся:
– максимально допустимый прямой ток ;
– прямое падение напряжения на диоде (при );
– максимально допустимое обратное напряжение ;
– обратный ток при заданном обратном напряжении (при );
– диапазон рабочих температур окружающей среды;
– коэффициент выпрямления ;
– предельная частота выпрямления, соответствующая уменьшению коэффициента выпрямления в 2 раза.
На рис. 3.8 показана схема двухполупериодного выпрямителя – типовая схема включения выпрямительных диодов. Данное название обусловлено тем, что ток через нагрузку протекает в течение обоих полупериодов входного напряжения. Схема состоит из понижающего трансформатора Т, диодного моста, в плечи которого включены четыре диода VD1 – VD4, и сглаживающего конденсатора С. Переменное напряжение подается в одну диагональ моста, а нагрузка подключена к другой. При действии положительной полуволны входного напряжения открыты диоды VD2, VD3, а при действии отрицательной полуволны – VD1, VD4. Форма входного, выходного напряжения и тока нагрузки в данной схеме показана на рис. 3.9. Конденсатор в данной схеме обеспечивает сглаживание пульсирующего напряжения на нагрузке за счет заряда от источника в течение части периода и разряда через нагрузку в течение промежутка времени, равного практически половине периода входного напряжения . Емкость конденсатора, обеспечивающая амплитуду пульсаций напряжения на нагрузке при максимальном токе нагрузки , определяется согласно выражению
. (3.9)
Максимальное значение обратного напряжения, которое прикладывается к одному диоду при действии отрицательной полуволны в данной схеме, практически равно амплитуде входного напряжения:
. (3.10)
Высокочастотные (детекторные) диоды
предназначены для выпрямления электрических сигналов высокой частоты. Обозначаются и маркируются так же, как и выпрямительные низкой частоты. Используются в радиоприемной, телевизионной и другой аппаратуре (в детекторах и демодуляторах). Требование по величине и значительно ниже, чем в выпрямительных низкочастотных. В высокочастотных диодах стремятся получить минимальное значение собственной емкости, поскольку на достаточно высоких частотах реактивное сопротивление этой емкости имеет величину ниже, чем обратное сопротивление p-n-перехода диода, т.е. эффект выпрямления (детектирования) резко снижается. Для уменьшения площади p-n-перехода, а следовательно, и его емкости используют точечную конструкцию диода. Барьерная емкость точечных диодов не превышает 1 пФ, а рабочая частота составляет 150 МГц и более.
Емкость диода слагается из емкости корпуса и емкости p-n-перехода (
). Уменьшение емкости корпуса достигается применением корпусов специальной конструкции. С этой же целью высокочастотные диоды часто выполняются вообще без корпуса, в этом случае они используются как составная часть гибридной интегральной схемы или модуля, который размещается в герметичном корпусе.
Прямая ветвь ВАХ точечного диода практически не отличается от реальной ВАХ p-n-перехода, а обратная ветвь не имеет ярко выраженного участка насыщения, что объясняется процессами генерации носителей заряда в неоднородном поле точечного контакта, вызванной лавинным умножением.
Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных и цифровых устройствах. Обозначаются так же, как и выпрямительные, имеют малую длительность переходных процессов. От выпрямительных диодов отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и характеризуются рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30¼40 мВт).
При воздействии на диод коротких по времени прямоугольных импульсов напряжения или тока форма тока через диод или напряжения на нем будет отличаться от прямоугольной, что обусловлено инерционностью процессов накопления и рассасывания носителей в базе и перезарядом его барьерной емкости. При малых уровнях напряжения и тока длительность переходных процессов определяется барьерной емкостью, а при больших – диффузионной.
На рис. 3.10 показаны переходные процессы в диоде при высоких уровнях напряжения и тока. При подаче на диод прямого напряжения ток устанавливается не сразу, так как с течением времени происходит накопление инжектированных неосновных носителей в базе и снижение ее сопротивления. Передний фронт импульса тока получается искаженным (см. рис. 3.10, а). Однако данный процесс оказывается гораздо короче, чем процессы при переключении диода с прямого напряжения на обратное, которые характеризуются временем обратного восстановления . При этом первоначально резко увеличивается величина обратного тока до вследствие интенсивного рассасывания неравновесных носителей базы с последующим его экспоненциальным уменьшением до стационарного значения, равного обратному току насыщения в (3.9). При пропускании импульса прямого тока через диод в первый момент времени наблюдается выброс напряжения (см. рис. 3.10, б), что вызвано повышенным падением напряжения, пока инжектированные носители, накопившись в базе, не понизят ее сопротивление. Этот процесс описывается параметром диода, который называется время установления прямого напряжения . После выключения прямого тока на диоде остается некоторое напряжение , величина которого зависит от количества инжектированных носителей. Остаточное напряжение уменьшается по мере рекомбинации носителей.
Для уменьшения необходимо уменьшить объем полупроводниковой структуры и увеличить скорость рекомбинации неосновных носителей, что достигается технологией изготовления импульсных диодов: введением в исходный материал нейтральных примесей, чаще всего золота (Au), для создания так называемых «ловушек» – центров рекомбинации.
Импульсные диоды характеризуются рядом специальных параметров:
– общая емкость диода (десятые доли – единицы пикофарад);
– максимальное импульсное прямое напряжение ;
– максимально допустимый импульсный ток ;
– время установления прямого напряжения – интервал времени между началом протекания прямого тока через диод и моментом, когда прямое напряжение на диоде достигает 1,2 установившегося значения (доли наносекунд – доли микросекунд);
– время обратного восстановления диода – время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения (доли наносекунд – доли микросекунд).
Для уменьшения применяют специальные разновидности импульсных диодов: диоды с барьером Шотки (ДБШ), диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В ДБШ переход выполнен на основе выпрямляющего контакта металл-полупроводник, в котором работа выхода из металла выше, чем работа выхода из полупроводника. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезаряда барьерной емкости. Инжекция в таких диодах является односторонней, инжектируют электроны из полупроводника в металл, где они являются единственным типом носителей. По этой причине отсутствует накопление неосновных носителей в базе. Конструктивно ДБШ выполняются в виде пластины низкоомного кремния n-типа, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Инерционность ДБШ в основном определяется барьерной емкостью выпрямляющего контакта, которая может быть меньше 0,01 пФ.
В ДНЗ база изготавливается неравномерно легированной по длине. Концентрация примеси в базе по мере приближения к p-n-переходу уменьшается, поэтому неравномерной оказывается и концентрация основных носителей базы – электронов, если база имеет проводимость n-типа. За счет этого электроны диффундируют в сторону p-n-перехода, оставляя в глубине базы избыточный положительный заряд атомов донорной примеси, а вблизи перехода избыточный заряд электронов. Между этими зарядами возникает электрическое поле, направленное в сторону перехода. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу при прямом включении диода, концентрируются (накапливаются) в базе у границы перехода. При переключении диода с прямого на обратное направление эти дырки под действием поля внутри перехода быстро уходят из базы в эмиттер, и время восстановления обратного сопротивления уменьшается. Для изготовления таких диодов применяется меза- и эпитаксиальная технология.
Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором сохраняется с определенной точностью при протекании через него тока в заданном диапазоне, и предназначенный для стабилизации напряжения. Принцип действия стабилитронов основан на использовании электрического вида пробоя p-n-перехода при обратном смещении. В качестве стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды.
Выпрямительный диод - это электронное устройство, предназначенное для преобразования тока переменного в ток постоянный. Это такой двухэлектродный прибор, у которого есть только односторонняя (униполярная) электрическая проводимость. Выпрямительный диод из полупроводниковых материалов и так называемые (когда четыре диода подключены по диагонали попарно в одном корпусе) пришли на смену игнитрону и электровакуумному диоду.
Эффект выпрямления переменного тока и преобразования его в постоянный возникает на переходе полупроводник-металл, металл-полупроводник или же в так называемом электронно-дырочном переходе в некоторых кристаллах (например, кремний, германий, селен, закись меди). Такие кристаллы часто служат основой прибора.
Полупроводниковый выпрямительный диод применяют в радиотехнике, в электронных и электрических устройствах. По сути, выпрямление - это преобразование тока переменного (напряжения) в ток одной полярности (пульсирующий постоянный). Такого типа выпрямление в технике необходимо для размыкания и замыкания электрический цепей, коммутации и детектирования электрических сигналов и импульсов, и для многих других подобных преобразований. Такие характеристики диода, как быстродействие, стабильность параметров, емкость p-n переходов не обязывают предъявлять к себе какие-то специальные требования.
У такого устройства есть определенные электрические параметры и характеристики диодов:
Прямое напряжение при указанном значении тока (берется ;
Обратный ток при заданном значении обратного напряжения и температуры ;
Амплитудные допустимые значения для максимального обратного напряжения;
Усредненное значение прямого тока;
Значение величины частоты без снижения режима;
Сопротивление.
Выпрямительный диод часто сокращенно называют просто выпрямителем. Как компонент электрической цепи, он оказывает высокое сопротивление току, который протекает в одном направлении, и низкое тому, который протекает в направлении обратном. Это и вызывает
У такого устройства, как диод выпрямительный, достаточно небольшой Рабочая частота для промышленного использования такого прибора при преобразовании переменного тока в постоянный составляет 50 Гц. Предельной частотой принято считать не более чем 20 кГц.
Выпрямительный диод как электронное устройство можно поделить на несколько групп по значению максимального среднего прямого тока. Это диод малой мощности (до 0,3 ампер), средней мощности (от 0,3 А до 10 А) и сверхмощные (силовые) выпрямительные диоды (более десяти ампер).
К основным параметрам такого электронного устройства, как выпрямительный диод, необходимо отнести и рабочий диапазон для температуры окружающей среды (обычно она колеблется от -50 до +130 градусов Цельсия для наиболее распространенного типа диода - кремниевого) и максимальную температуру корпуса (самые разные параметры, в зависимости от мощности, назначения и производителя).
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода. В качестве электрического перехода может использоваться электронно-дырочный переход, контакт металл-полупроводник или гетеропереход.
Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, – базой. Сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую – анодом.
По назначению диоды делятся на:
1. выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное;
2. стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока:
3. варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением;
4. импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах;
5. туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний;
6. сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний;
7. светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию;
8. фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.
Система и перечень параметров, включаемые в технические описания и характеризующие свойства полупроводниковых диодов, выбираются с учетом их физико-технологических особенностей и области применения. В большинстве случаев важны сведения об их статических, динамических и предельных параметрах.
Статические параметры характеризуют поведение приборов при постоянном токе, динамические – их частотно-временные свойства, предельные параметры определяют область устойчивой и надежной работы.
1.5. Вольтамперная характеристика диода
Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода аналогична вольтамперной характеристике p-n -перехода и имеет две ветви – прямую и обратную.
ВАХ диода представлена на рисунке 5.
Если диод включен в прямом направлении ("+" – к области р , а "-" – к областиn ), то при достижении порогового напряженияU пор диод открывается и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к областир , а "+" – к областиn ) через диод протекает незначительный обратный ток, то есть фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента.
Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе.
Параметрами ВАХ являются: динамическое (дифференциальное) сопротивление диода переменному току и статическое сопротивление постоянному току.
Статическое сопротивление диода постоянному току в прямом и обратном направлении выражается соотношением:
, (2)
где U иI задают конкретные точки на ВАХ диода, в которых производится вычисление сопротивления.
Динамическое сопротивление переменному току определяет изменение тока через диод с изменением напряжения вблизи выбранной рабочей точки на характеристике диода:
. (3)
Поскольку типичная ВАХ диода имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один – на обратной), r д вычисляется как отношение малого приращения напряжения на диоде к малому приращению тока через него при заданном режиме:
. (4)
Чтобы вывести выражение для r д, удобнее принять в качестве аргумента токI , а напряжение считать его функцией и, логарифмируя уравнение (1), привести его к виду:
. (5)
. (6)
Отсюда следует, что с ростом прямого тока r д быстро уменьшается, так как при прямом включении диодаI >>I S .
На линейном участке ВАХ при прямом включении диода статическое сопротивление всегда больше динамического сопротивления: R ст >r д. При обратном включении диодаR ст < r д.
Таким образом, электрическое сопротивление диода в прямом направлении намного меньше, чем в обратном. Следовательно, диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока.
Свойства диода определяются его вольт - амперной характеристикой (ВАХ), которая показана на рис. 2.7. Приближенно она может быть описана уравнением
I =I 0 (e U / m j т – 1), (2.1)
где I 0 – ток насыщения обратносмещенного перехода (обратный тепловой ток); U –напряжение на p -n – переходе; j т =kT /q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов j к на границе p -n перехода при отсутствии внешнего напряжения; k =1,38×10 -23 Дж/К–постоянная Больцмана; Т –абсолютная температура; q =1,6×10 -19 кулон – заряд электрона; m – поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории. При температуре Т =300К, j т =0,026 В.
 |
| Рис. 2.7 |
На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь , которая находится в первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (2.1) хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и для небольших токов. В соответствии с (2.1) сопротивление диода является нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая линия.
На прямой ветви реальной ВАХ имеется резкий загиб, который характеризуется напряжением включения . Для германиевых диодов напряжение включения равно примерно 0,3 В, для кремниевых – примерно 0,6 В.
Значение обратного тока на обратной ветви примерно постоянно в широком диапазоне напряжения. При превышении определенного значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя U проб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока, соответствующий электрическому пробою p - n – перехода. Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой перейдет в тепловой. Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в p-n – переходе. При этом мощность, выделяющаяся в диоде U обр I обр, не успевает отводиться от перехода, его температура растет, растет обратный ток и, следовательно, продолжает расти мощность. Тепловой пробой необратим, т.к. разрушает p –n – переход.
Для диода оговаривается несколько основных параметров :
Номинальный прямой ток;
Максимальное обратное напряжение;
Прямое падение напряжения;
Постоянный обратный ток;
Максимальный прямой ток (для него оговаривается режим работы, например, время проводимости).
Преобладают кремниевые диоды, так как имеют более высокую предельную рабочую температуру (150 о С против 75 о С для германиевых), допускают большую плотность прямого тока (60 ¸ 80 А/см 2 по сравнению с 20 ¸ 30 А/см 2), обладают меньшими обратными токами (примерно на порядок) и большими допустимыми обратными напряжениями (1500¸2800 В по сравнению с 600¸800 В). Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения, которое. для германиевых диодов U пр =0,3¸0,4В, а для кремниевых диодов U пр =0,6¸1,2 В.
Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощностью P =UI . U и I относятся к определенной точке ВАХ. Мощность определяет нагрев. Рабочий участок диода на ВАХ рис. 2.7 отмечен жирной линией. Если диод начинает работать на нерабочих участках ВАХ, он выходит из строя, поскольку мощность превышает допустимую, нагрев превышает допустимый и диод разрушается.
При рассмотрении режимов работы схем с диодами их представляют в виде идеализированных приборов, которые являются идеальными проводниками в прямом направлении и идеальными изоляторами в обратном направлении. Идеализированная ВАХ представлена на рис. 2.8, а зависимость ВАХ от температуры показана на рис. 2.9.
 |  |
| Рис. 2.8 | Рис. 2.9 |
Типы диодов
По назначению различают следующие типы диодов:
– выпрямительные;
– импульсные;
– высокочастотные;
– стабилитроны и стабисторы.
Диоды различают также по мощности и по частотным свойствам.
Выпрямительные диоды . Предназначены для работы при напряжениях частоты до нескольких кГц и при некрутых фронтах питающего напряжения. Не предназначены для прямоугольного питающего напряжения. Для выпрямительных диодов оговариваются два основных параметра:
1.Ток прямой номинальный (среднее значение).
Диоды выпускаются на ток 10 мА–1000 А. Обратное напряжение находится в пределах от 10 В до нескольких кВ. Для мощных диодов (ток > 10 А) обратное напряжение определяют классом диода. Класс диода – это 100В, умноженное на цифру класса. Цифра класса от 1 до 20. Например: Д50-12, здесь 50 -ток прямой номинальный в А; 12 - класс. Класс - это параметр, используемый для мощных диодов и характеризующий обратное напряжение. У мощных диодов номинальный прямой ток допустим только при установке диода на радиатор и при принудительном охлаждении со скоростью воздуха 12м/с. Без принудительного охлаждения воздухом (имеется только радиатор) допустимый ток составляет около 30% от номинального. У современных диодов распространены следующие обозначения: ДXXXY или КДXXXY , где КД - кремниевый диод, XXX - цифры, Y - буква. Первая цифра говорит о виде диода (выпрямительные - 1, 2). Буква определяет обратное напряжение.
Второстепенные параметры:
1.Максимальный обратный ток I обр.макс (от десятков нА до десятков мА).
2.Прямое падение напряжения U пр (0,3¸1,2В).
3. Максимальная рабочая частота, до которой обеспечиваются заданные токи, напряжения и мощность.
 |
| Рис. 2.10 |
4. Время восстановления запирающих свойств диода.
Диод не проводит (или запирается) при приложении обратного напряжения. Запирание - переход от проводящего состояния к непроводящему. При приложении прямоугольного обратного напряжения диод ведет себя как показано на рис. 2.10. Интервал I - время рассасывания носителей, интервал II - бросок обратного тока. Он связан с наличием барьерной емкости диода. Интервал t в – время восстановления, т.е. время перехода от проводящего состояния до момента установления обратного тока на ВАХ. Из-за неидеальности диода ограничивается предельная частота его работы. При очень высокой частоте диод перестает выполнять свои функции.
 |
| Рис. 2.11 |
Высокочастотные диоды . Для них оговариваются те же параметры (основные и второстепенные), но они могут работать при высокой частоте и обладают малым временем восстановления (по сравнению с выпрямительными). Для них приводится график прямого тока в зависимости от частоты. График представлен на рис. 2.11.
Импульсные диоды . Оговариваются те же основные параметры, что и для рассмотренных выше диодов, и приводится еще важный второстепенный параметр – импульсный ток за оговоренное время.
Стабилитроны и стабисторы . Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же, как у диодов, она также может использоваться.
ВАХ стабилитрона представлена на рис. 2.12. Для стабилитронов указывается два основных параметра:
U ст – напряжение стабилизации стабилитрона;
Iст.н – номинальный ток стабилитрона.
 |
|
| Рис. 2.12 | Рис. 2.13 |
U ст =3,3¸170В. Для U ст указывается разброс в процентах или в вольтах, а также изменение U ст при изменении температуры. У маломощных стабилитронов I ст.min =1¸3m А, I с т. max =30m A. I ст.н у мощных стабилитронов составляет несколько сот m A.
Стабисторы – это стабилитроны, у которых используется прямая ветвь ВАХ, т.е. это диод с большим падением напряжения, которое постоянно при изменении тока. ВАХ стабистора показана на рис. 2.13. Такая ВАХ создается технологически. Стабилитроны и стабисторы могут соединяться последовательно, но не параллельно. Они используются в стабилизаторах и ограничителях напряжения.
Контрольные вопросы
1. Что такое потенциальный барьер полупроводникового диода и как он формируется?
2. Охарактеризуйте кратко схемы включения полупроводникового диода.
3. Охарактеризуйте реальную и идеальную вольт – амперные характеристики полупроводникового диода.
4. Перечислите основные параметры полупроводникового диода.
5. Охарактеризуйте основные типы диодов.
6. Перечислите второстепенные параметры полупроводникового диода.
7. Как осуществляется маркировка полупроводникового диода?
