Полупроводниковый диод

Эксплуатация некоторого электрооборудования невозможна без контроля направления движения электрического тока. В электронике для достижения этой цели эффективно используют полупроводниковый диод. Применение двухполюсника позволяет преобразовывать переменный ток и постоянный в пульсирующий однонаправленный.

Внешний вид полупроводникового диода

Устройство

Полупроводниковый диод – это двухполюсный прибор, изготовленный из полупроводникового вещества, пропускающий ток в одном направлении и практически не пропускающий в другом.

Главный элемент диода – кристаллическая составляющая с p-n переходом, к которой припаивают (приваривают) металлический анод и катод. Прохождение прямого тока осуществляется при подаче на анод положительного, относительно катода, потенциала.

Устройство диодов может быть точечным, плоскостным, поликристаллическим.

Устройство точечного и плоскостного п/п прибора

Устройство точечного диода показано на рисунке (а).

При приваривании тонкой иглы, с нанесённой на неё примесью, к пластине из полупроводника, с обусловленным видом электропроводности, происходит образование полусферического мини p-n перехода, с другим типом проводимости. Это действие получило название – формовка диода.

Изготовление плоскостного двухполюсника осуществляется методом сплавления диффузии. На рисунке (б) представлены сплавной германиевый диод, принцип его устройства. В пластине германия n-типа, при вплавлении туда капли индия при 500 градусах, образуется слой германия р-типа. Выводные контакты, припаиваемые к основной пластине германия и индия, изготавливают из никеля.

При производстве полупроводниковых пластин применяются германий, кремний, арсенид галлия и карбид. В качестве основы точечного и плоскостного двухполюсников используют полупроводниковые монокристаллические пластины с правильным по всему объему строением.

В поликристаллических двухполюсниках p-n переход образуется полупроводниковыми слоями, в состав которых входит большое количество беспорядочно ориентированных малых кристаллов, не представляющих единой монокристаллической формы. Это селеновые, титановые и медно-закисные двухполюсники.

Основные характеристики и параметры диодов

Чтобы прибор правильно работал, выбирать его нужно в соответствии с:

• Вольтамперной характеристикой;
• Максимально допустимым постоянным обратным напряжением;
• Максимально допустимым импульсным обратным напряжением;
• Максимально допустимым постоянным прямым током;
• Максимально допустимым импульсным прямым током;
• Номинальным постоянным прямым током;
• Прямым постоянным напряжением при номинальном токе;
• Постоянным обратным током, указываемым при максимально допустимом обратном напряжении;
• Диапазоном рабочих частот;
• Ёмкостью;
• Пробивным напряжением (для защитных диодов и стабилитронов);
• Тепловым сопротивлением корпуса при различных вариантах монтажа;
• Максимально допустимой мощностью рассеивания.

Классификация диодов

Промышленность выпускает большое разнообразие полупроводниковых вентилей, которые могут применяться во многих отраслях хозяйствования.

Классифицировать эти устройства можно по общим признакам:

1. По материалу полупроводника, из которого они изготавливаются (кремний, германий, арсенид галлия);
2. По физическим процессам, совершающим работу (в туннельных, в фотодиодах, в светодиодах);
3. По предназначению (стабилитрон, выпрямительный, импульсный, варикап и др.);
4. По технике изготовления электрического перехода (сплавной, диффузный и др.);
5. По виду (типу) электрического перехода (точечный, плоскостной).

Классификация полупроводниковых двухполюсников

Типы диодов по назначению

По функциональному назначению различают диоды:

• Выпрямительный (для преобразования переменного тока в постоянный);
• Импульсный (применяют в импульсных режимах);
• Шотки (для преобразования и обработки сверхвысокочастотных сигналов при частоте более 300 МГц);
• Детекторный СВЧ (для детектирования сверхвысокочастотных сигналов);
• Переключающий СВЧ (для управления в устройствах уровнем СВЧ мощности);
• Стабилитрон (для стабилизации напряжения);
• TVS (для подавления импульсных электрических перенапряжений, превышающих напряжение лавинного пробоя прибора);
• Стабистор (для стабилизации напряжения);
• Стабилитрон с напряжением, равняющимся ширине запрещенной зоны;
• Лавинно-пролетный (ЛПД) (для генерации сверхвысокочастотных колебаний);
• Туннельный (для генерирования колебаний);
• Обращенный (проводимость которого при обратном напряжении больше, чем при прямом);
• Варикап (применяют как элемент с управляемой электричеством ёмкостью);
• Фотодиод (для нагнетания под воздействием света заряженных неосновных носителей в базу);
• Светодиод (для излучения основных носителей заряда под воздействием электрического тока).

Типы диодов по частотному диапазону

Классификация диодов осуществляется по рабочей частоте. Двухполюсники могут быть:

1. Низкочастотными, с частотой меньше 1000 Гц;
2. Высокочастотными, с частотой больше 1000 Гц;
3. Импульсными, используемыми в цепи, где требуется высокая скорость срабатывания.

Диоды с выпрямляющим переходом металл-полупроводник отличаются меньшим, чем у двухполюсников с p-n переходом, напряжением пробоя и более высокими частотными характеристиками (Шоттки). Маломощные высокочастотные и импульсные диоды (вентили) работают на высоких частотах или в быстродействующей импульсной схеме.

Типы диодов по размеру перехода

По размеру перехода диоды делятся на:

1. плоскостные,
2. точечные.

Классификация по размеру перехода и условные обозначения

В точечных приборах применяются пластины германия или кремния с электропроводностью n-типа, толщиной 0,1 …0,6 мм и площадью 0,5 … 1,5 кв. мм. В плоскостных устройствах образование р-n перехода происходит между двумя полупроводниками с различными типами электропроводности.

Типы диодов по конструкции

По конструкции корпуса п/п диоды могут быть в штыревом, таблеточном, с корпусом под запрессовку, модульном исполнении. Штыревой корпус состоит из мощной основы со штырем и герметично закрывающейся крышки. В образовавшуюся непроницаемую полость помещают структуру полупроводника.

Штыревая конструкция с гибким (а) и с жестким выводом (б)

Корпусы фланцевой конструкции отличаются от штыревой конструкции отсутствием штыря и внешней формой основания в виде фланца. Особенности штыревой и фланцевой конструкций диодов способствуют процессу одностороннего охлаждения их структуры. Применяют эти двухполюсники для токов 320-500 А.

Таблеточный корпус приспособлен для присоединения отводов тепла и проводников тока к основанию посредством прижимного устройства. Такая конструкция позволяет осуществлять односторонний и двухсторонний тепловой отвод от структуры прибора. Используется на токах 250 А и выше.

Конструкция корпуса под запрессовку с гибким (а) и жестким (б) выводами

Корпус диода под запрессовку состоит из пустотелого цилиндра с рифлёной поверхностью и дна – основания, на котором расположена структура полупроводника. Закрытие второго торца цилиндра осуществляется проходным изолятором с гибким или жестким выводом.

Двухполюсники в корпусах под запрессовку производятся в прямой полярности, когда анод находится на основании, и в обратной полярности, когда катод находится на основании. Корпус под запрессовку предусматривает одностороннее охлаждение полупроводника, используется на ток до 25 А.

Модульные конструкции полупроводниковых двухполюсников состоят из основания с изолирующей теплопроводной прокладкой, на которой расположена одна или несколько п/п структур, и защитного корпуса с электрическими выводами. Основание устройства, обеспечивающее отвод тепла, выпускается электрически изолированным от выводов полупроводниковых структур, включенных в состав модуля. Модульные конструкции изготавливают в разных комбинациях полупроводников на токи до 160 А.

Другие типы

Селеновые выпрямители, уступающие устройствам из кремния и германия по многим показателям, обладают уникальными возможностями самовосстановления при пробое. В месте выгорания селена не происходит короткого замыкания.

Дополнительная информация. Радиационная стойкость селеновых вентилей намного выше, чем у других выпрямителей.

Медно-закисные выпрямители характеризуются низким обратным напряжением, низкой рабочей температурой, малым отношением прямого и обратного сопротивления.

Маркировка диодов

Система обозначений полупроводниковых диодов включает в себя код, состоящий из букв и цифр.

Маркировка приборов

Первая составляющая маркировки может быть представлена в виде цифры для приборов специального назначения или в виде буквы для приборов широкого применения.

Если в обозначении материала используется:

• Г или 1, то это германий и соединения германия;
• К или 2, это кремний и соединения кремния;
• А или 3 – арсенид галлия;
• И или 4 – фосфид индия.

Для обозначения второй цифры в маркировке используют:

• Д – в выпрямительных, импульсных;
• Ц – в выпрямительных столбах и мостах;
• В – в обозначениях варикапов;
• И – в туннельных;
• А – в СВЧ;
• С – в стабилитронах и стабисторах;
• Г– в генераторах шума;
• Л – в излучающих светодиодах.

Третий элемент характеризует основные признаки устройства, зависит от его подкласса. Например, 2Д204В – это диод кремниевый выпрямительный с постоянной и средней токовой величиной 0,3-10 А, номером разработки 04, группой В.

Преимущества непосредственного включения в схему

Включение полупроводниковых приборов непосредственно в схему даёт гарантированные плюсы:

1. Высококачественную обработку сигналов;
2. Полную взаимозаменяемость устройств;
3. Миниатюрность и долговечность использования;
4. Удобство при монтаже и замене;
5. Доступность приобретения и дешевизну цен.

Вольтамперные характеристики (идеальная и реальная)

ВА характеристика приводится в виде взаимосвязи тока внешней цепи p-n перехода прибора и полярности напряжения на его электродах. Это соотношение можно получить экспериментально или рассчитать на основании уравнения вольтамперной характеристики.

Идеальная характеристика

Основной задачей выпрямительного диода является проведение электрического тока в одном направлении и непропускание его в обратном. Поэтому при прямой подаче напряжения (плюс подаётся на анод, а минус – на катод) идеальный прибор должен быть отличным проводником, с сопротивлением, равным нулю. При противоположном подключении, наоборот, должен иметь огромное сопротивление, став полным изолятором.

ВАХ идеального прибора

Реальная ВАХ

Реальный диод, благодаря структуре полупроводника, имеет множество минусов, в сравнении с идеальным двухполюсником.

ВАХ реального прибора

Параметры промышленных п/п элементов значительно разнятся с теми, которые для удобства принимаются за идеальные. В реальности, нелинейная ВАХ показывает большие отклонения и по значениям тока, и по крутизне преобразования. Поэтому прибор может выдержать лишь нагрузки, представленные этими предельными показателями:

• Максимальным прямым выпрямленным током;
• Током обратной утечки;
• Максимальным прямым и обратным напряжением;
• Падением потенциала на p-n переходе;
• Предельной рабочей частотой обрабатываемого сигнала.

Вольтамперная характеристика для диодных элементов – важный параметр, по которому можно определить, как будет работать прибор в электрической схеме.

Важно! Прежде, чем использовать двухполюсник по назначению, нужно изучить ВАХ этого устройства.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич