Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Полупроводниковый диод получил широкое распространение в электротехнике и в электронике. Обладая невысокой стоимостью и хорошим соотношением мощности и габаритов, он быстро вытеснил вакуумные приборы аналогичного назначения.

Устройство и принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковый диод состоит из двух областей (слоев), изготовленных из полупроводника (кремния, германия и т.п.). Одна область имеет избыток свободных электронов (n-полупроводник), другая – недостаток (p-полупроводник) – это достигается легированием основного материала. Между ними находится небольшая по размерам зона, в которой избыток свободных электронов из n-участка «закрывает» дырки из p-участка (происходит рекомбинация за счет диффузии), и свободных носителей заряда в этой области нет. При приложении прямого напряжения область рекомбинации невелика, её сопротивление мало, и диод проводит ток в этом направлении. При обратном напряжении зона без носителей увеличится, сопротивление диода возрастет. В этом направлении ток не пойдет.

Виды, классификация и графическое обозначение на электрических схемах

В общем случае диод на схеме обозначается в виде стилизованной стрелки, указывающей направление тока. Условно-графическое изображение (УГО) прибора содержит два вывода – анод и катод, которые в прямом подключении соединяются с плюсом электрической цепи и с минусом соответственно.

Существует большое количество разновидностей этого двухполюсного полупроводникового устройства, которые в зависимости от назначения могут иметь несколько отличающееся УГО.

Стабилитроны (диоды Зенера)

Стабилитрон – это полупроводниковый прибор, работающий при обратном напряжении в зоне лавинного пробоя. В этой области напряжение на диоде Зенера стабильно в широком диапазоне изменения тока через прибор. Это свойство используется для стабилизации напряжения на нагрузке.

Стабисторы

Стабилитроны хорошо выполняют свою работу по стабилизации напряжений от 2 В и выше. Чтобы получить неизменное напряжение ниже этого предела, используются стабисторы. Легированием материала, из которого изготовлены данные приборы (кремний, селен) добиваются наибольшей вертикальности прямой ветви характеристики. В этом режиме и работают стабисторы, выдавая образцовое напряжение в пределах 0,5…2 В на прямой ветви вольт-амперной характеристики при прямом напряжении.

Диоды Шоттки

Диод Шоттки построен по схеме полупроводник-металл, и не имеет обычного перехода. За счет этого удалось получить два важных свойства:

• пониженное падение прямого напряжения (около 0,2 В);
• повышенные рабочие частоты за счёт снижения собственной емкости.

К недостаткам относят увеличенные значения обратных токов и пониженную толерантность к уровню обратного напряжения.

Варикапы

Каждый диод имеет электрическую емкость. Обкладками конденсатора служат два объёмных заряда (области p и n полупроводников), а диэлектриком – запирающий слой. При приложении обратного напряжения этот слой расширяется, и ёмкость уменьшается. Это свойство присуще всем диодам, но у варикапов ёмкость нормирована и известна при заданных пределах напряжения. Это позволяет использовать такие приборы в качестве конденсаторов переменной ёмкости и применять для настройки или точной подстройки контуров с помощью подачи обратного напряжения различного уровня.

Туннельные диоды

Эти приборы имеют на прямом участке характеристики прогиб, при котором увеличение напряжения вызывает уменьшение тока. В этой области дифференциальное сопротивление отрицательно. Данное свойство позволяет применять туннельные диоды в качестве усилителей слабых сигналов и генераторов на частотах свыше 30 ГГц.

Динисторы

Динистор — диодный тиристор – имеет структуру p-n-p-n и S-образную ВАХ, не проводит ток, пока приложенное напряжение не достигнет порогового уровня. После этого открывается и ведет себя как обычный диод, пока ток не упадет ниже уровня удержания. Используются динисторы в силовой электронике в качестве ключей.

Фотодиоды

Фотодиод выполняется в корпусе с доступом видимого света к кристаллу. При облучении p-n перехода в нём возникает ЭДС. Это позволяет использовать фотодиод как источник тока (в составе солнечных батарей) или как датчик освещенности.

Светодиоды

Основное свойство светодиода – способность излучать свет при прохождении тока через p-n переход. Это свечение не связано с интенсивностью нагрева, как у лампы накаливания, поэтому прибор экономичен. Иногда используется непосредственное свечение перехода, но чаще оно применяется в качестве инициатора зажигания люминофора. Это позволило получить ранее недостижимые цвета светодиодов, например, синий и белый.

Диоды Ганна

Хотя диод Ганна имеет обычное условно-графическое обозначение, в полном смысле диодом он не является. Потому что у него отсутствует p-n переход. Этот прибор состоит из пластины из арсенида галлия на металлической подложке.

Не вдаваясь в тонкости процессов: при приложении электрического поля определенной величины в устройстве, возникают электрические колебания, период которых зависит от размеров полупроводниковой пластины (но в определенных пределах частоту можно корректировать внешними элементами).

Диоды Ганна используются в качестве генераторов на частотах 1 ГГц и выше. Плюсом прибора является высокая стабильность частоты, а недостатком – небольшая амплитуда электрических колебаний.

Магнитодиоды

Обычные диоды слабо подвержены влиянию внешних магнитных полей. Магнитодиоды имеют особую конструкцию, увеличивающую чувствительность к данному воздействию. Их делают по технологии p-i-n с удлиненной базой. Под действием магнитного поля сопротивление прибора в прямом направлении растёт, и это можно использовать для создания бесконтактных элементов переключения, преобразователей магнитных полей и т.п.

Лазерные диоды

Принцип действия лазерного диода основан на свойстве пары «электрон-дырка» во время рекомбинации при определенных условиях испускать монохроматическое и когерентное видимое излучение. Способы создания этих условий различны, для пользователя необходимо лишь знать длину излучаемой диодом волны и её мощность.

Лавинно-пролетные диоды

Эти приборы используются на СВЧ. При определенных условиях в режиме лавинного пробоя на характеристике диода возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это свойство ЛПД позволяет использовать их в качестве генераторов, работающих на длинах волн до миллиметрового диапазона. Там возможно получить мощность не менее 1 Вт. На более низких частотах с таких диодов снимают до нескольких киловатт.

PIN-диоды

Эти диоды изготовлены по p-i-n технологии. Между легированными слоями полупроводников находится слой из нелегированного материала. По этой причине этого выпрямительные свойства диода ухудшены (при обратном напряжении снижена рекомбинация за счёт отсутствия прямого контакта между p- и n-зонами). Зато за счет разнесения областей объемного заряда паразитная емкость становится очень маленькой, в закрытом состоянии практически исключено просачивание сигнала на высоких частотах, и pin-диоды можно использовать на ВЧ и СВЧ в качестве переключающих элементов.

Основные характеристики и параметры диодов

К основным характеристикам полупроводниковых диодов (кроме узкоспециализированных) следует отнести:

• максимально допустимое обратное напряжение (постоянное и импульсное);
• граничная рабочая частота;
• прямое падение напряжения;
• рабочий диапазон температур.

Остальные важные характеристики лучше рассмотреть на примере ВАХ диода – так нагляднее.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода состоит из прямой и обратной ветви. Расположены они в I и в III квадрантах, так как направление тока и напряжения через диод всегда совпадают. По вольт-амперной характеристике можно определить некоторые параметры, а также наглядно увидеть, на что влияют характеристики прибора.

Напряжение порога проводимости

Если к диоду приложить прямое напряжение и начать его увеличивать, то в первый момент ничего не произойдет – ток расти не будет. Но при определенном значении диод откроется, и ток будет увеличиваться в соответствии с напряжением. Это напряжение называется напряжением порога проводимости и на ВАХ отмечено, как Uпорога. Оно зависит от материала, из которого изготовлен диод. Для самых распространенных полупроводников этот параметр составляет:

• кремний – 0,6-0,8 В;
• германий – 0,2-0,3 В;
• арсенид галлия – 1,5 В.

Свойство германиевых полупроводниковых приборов открываться при малом напряжении используется при работе в низковольтных схемах и в других ситуациях.

Максимальный ток через диод при прямом включении

После того, как диод открылся, его ток растет вместе с увеличением прямого напряжения. Для идеального диода этот график уходит в бесконечность. На практике этот параметр ограничен способностью полупроводникового прибора рассеивать тепло. При достижении определенного предела диод перегреется и выйдет из строя. Чтобы этого избежать, производители указывают наибольший допустимый ток (на ВАХ – Imax). Его можно приблизительно определить по размеру диода и его корпусу. В порядке убывания:

• наибольший ток держат приборы в металлической оболочке;
• на среднюю мощность рассчитаны пластиковые корпуса;
• диоды в стеклянных оболочках используются в слаботочных цепях.

Металлические приборы можно устанавливать на радиаторах – это увеличит мощность рассеяния.

Обратный ток утечки

Если приложить к диоду обратное напряжение, то малочувствительный амперметр ничего не покажет. На самом деле только идеальный диод не пропускает никакого тока. У реального прибора ток будет, но он очень мал, и называется обратным током утечки (на ВАХ – Iобр). Он составляет десятки микроампер или десятые доли миллиампер и намного меньше прямого тока. Определить его можно по справочнику.

Напряжение пробоя

При определенном значении обратного напряжения возникает резкий рост тока, называемый пробоем. Он носит туннельный или лавинный характер и является обратимым. Этот режим используется для стабилизации напряжения (лавинный) или для генерации импульсов (туннельный). При дальнейшем увеличении напряжения пробой становится тепловым. Этот режим необратим и диод выходит из строя.

Паразитическая ёмкость pn-перехода

Уже упоминалось, что p-n переход обладает электрической ёмкостью. И если в варикапах это свойство полезно и используется, то в обычных диодах оно может быть вредным. Хотя ёмкость составляет единицы или десятки пФ и на постоянном токе или низких частотах незаметна, с повышением частоты её влияние возрастает. Несколько пикофарад на ВЧ создадут достаточно низкое сопротивление для паразитных утечек сигнала, сложатся с существующей ёмкостью и изменят параметры цепи, а совместно с индуктивностью вывода или печатного проводника образуют контур с паразитным резонансом. Поэтому при производстве высокочастотных приборов принимают меры для снижения ёмкости перехода.

Маркировка диодов

Проще всего маркируются диоды в металлическом корпусе. В большинстве случаев на них наносится обозначение прибора и его цоколевка. Диоды в пластиковом корпусе маркируются кольцевой меткой со стороны катода. Но нет гарантии, что производитель строго соблюдает это правило, поэтому лучше обратиться к справочнику. Ещё лучше прозвонить прибор мультиметром.

Отечественные стабилитроны малой мощности и некоторые другие приборы могут иметь метки из двух колец или точек разного цвета на противоположных сторонах корпуса. Чтобы определить тип подобного диода и его цоколевку, надо взять справочник или найти в интернете онлайн-определитель маркировки.

Области применения диодов

Несмотря на простое устройство, полупроводниковые диоды широко используются в электронике:

1. Для выпрямления переменного напряжения. Классика жанра – используется свойство p-n перехода проводить ток в одном направлении.
2. Диодные детекторы. Здесь используется нелинейность ВАХ, позволяющая выделять из сигнала гармоники, нужные из которых могут быть выделены фильтрами.
3. Два диода, включенные встречно-параллельно, служат ограничителем мощных сигналов, которые могут перегрузить последующие входные каскады чувствительных радиоприёмных устройств.
4. Стабилитроны могут включаться в качестве искрозащитных элементов, не позволяющих высоковольтным импульсам попасть в цепи датчиков, установленных в опасных зонах.
5. Диоды могут служить переключающими устройствами в высокочастотных схемах. Они открываются постоянным напряжением и пропускают (или не пропускают) ВЧ сигнал.
6. Параметрические диоды служат усилителями слабых сигналов в диапазоне СВЧ за счет наличия в прямой ветви характеристики участка с отрицательным сопротивлением.
7. На диодах собирают смесители, работающие в передающей или приёмной аппаратуре. Они смешивают сигнал гетеродина с высокочастотным (или низкочастотным) сигналом для последующей обработки. Здесь также используется нелинейность ВАХ.
8. Нелинейная характеристика позволяет применять диоды на СВЧ в качестве умножителей частоты. При прохождении сигнала через умножительный диод, выделятся высшие гармоники. Дальше их можно выделить методом фильтрации.
9. Диоды применяют в качестве элементов настройки резонансных цепей. При этом используется наличие управляемой емкости у p-n перехода.
10. Некоторые виды диодов применяют в качестве генераторов в диапазоне СВЧ. В основном это туннельные диоды и приборы с эффектом Ганна.

Это только краткое описание возможностей полупроводниковых приборов с двумя выводами. При глубоком изучении свойств и характеристик с помощью диодов можно решать многие задачи, поставленные перед разработчиками электронной аппаратуры.

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Описание, технические характеристики и аналоги выпрямительных диодов серии 1N4001-1N4007

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Что такое светодиод, его принцип работы, виды и основные характеристики

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение