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

Начнем с азов

Диод представляет собой полупроводниковое двухвыводное радиоэлектронное устройство, которое обладает вольт амперной характеристикой или ВАХ. Благодаря ВАХ электрический ток по изделию может течь только по одному направлению. Это направление определяется в ситуации, когда при прямом смещении сопротивление будет практически равно нулю.

На ВАХ основано исследование данных типов компонентов. Реферат о свойствах диодных полупроводников можно написать про ВАХ, различные виды изделий, а также о том, какой их общий принцип работы. При этом реферат будет содержать в каждом случае разную информацию, так как здесь сложно изложить суть в кратком объеме.

После того, как мы разобрались, что собой представляет диод, можно выяснить основные моменты его полупроводникового вида.Полупроводниковый диод (диодный вентиль) представляет собой изделие, изготовленное из полупроводниковых материалов (зачастую кремния). Поскольку у него есть вольт амперная характеристика, то ток здесь может течь только в одном направлении.

Главным компонентом такого электрического элемента является кристаллическая часть, в которой есть p-n переход. Переход подключен к двум электрическими контактами. Сама вакуумная трубка имеет два электрода: нагретый катод и пластину (анод).Такая структура, а также принцип работы, позволяет применять их для:

• улучшения различных электронных схем;
• преобразования постоянного и переменного тока;
• усовершенствования различных устройств.

Реферат может более полно описать каждый способ применения.

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 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.

Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи. Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом.

Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю.

О важном свойстве

Самым важным параметром в характеристике полупроводниковых диодных компонентов электрических систем является ВАХ. Как уже говорилось выше, под ВАХ понимается вольт амперная характеристика диода. Эта характеристика определяет зависимость тока, проходящего через p-n переход, к полярности, а также величине приложенного к нему напряжения. Данная зависимость имеет вид кривой, представленной на рисунке снизу.

Рисунок изображает ВАХ для обратного и прямого типа включения.Эта характеристика используется для создания эффективных электрических схем, предназначенных для самых разнообразных целей.

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.

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.

Как работает

Принцип действия, в своей основе, содержит свойства этого электронно-дырочного перехода. Здесь свойства перехода зависят от того, какая имеется вольт амперная характеристика (ее сильная асимметрия по отношению к нулю). Любой реферат расскажет об этом. Следовательно, принцип работы предполагает два типа включения:

• прямое. Здесь диод обладает слабым электросопротивлением, в связи с чем электрический ток и может течь. Это демонстрирует рисунок, который дополняет профильный реферат;

• обратное. Ток прекращает течь при создании ситуации, когда напряжение меньше напряжения пробоя для имеющегося сопротивления. Такой рисунок тоже должен содержать любой тематический реферат.

Данный принцип действия характерен почти для всех полупроводниковых диодов, за исключением ганна.

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).

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).

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.

По размеру перехода диоды делятся на:

1. плоскостные,
2. точечные.

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.

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.

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.

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.

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

Полупроводниковые диоды, выпускаемые промышленностью, по их назначению можно разделить на следующие основные группы:

• силовые,
• опорные (стабилитроны),
• фотодиоды,
• импульсные,
• высокочастотные,
• параметрические.

Особый интерес представляют туннельные диоды. Маркировку полупроводниковых диодов, производство которых освоено после 1965 г., определяют четыре элемента. Первым элементом обозначения является буква, которая указывает материал используемого полупроводника: Г — германий; К — кремний; А — арсенид галлия.

Вторым элементом маркировки является буква, определяющая назначение прибора: А — сверхвысокочастотные диоды; Д — выпрямительные универсальные, импульсные диоды; В — выпрямительные столбы (последовательное соединение ряда диодов); С — стабилитроны; И — туннельные диоды; Ф—фотодиоды и т. д. Третий элемент маркировки (число) характеризует электрические свойства прибора.

Выпрямительные низкочастотные диоды обозначаются цифрами от 101 до 399, универсальные — от 401 до 499, импульсные — от 501 до 599, усилительные туннельные диоды —от 101 до 199, генераторные туннельные диоды — от 201 до 299, переключающие туннельные диоды — от 301 до 399, стабилитроны — от 101 до 999.

Четвертый элемент маркировки (буква) определяет разновидность типа прибора из данной группы приборов. Например, 1Д505Б — германиевый импульсный диод, разновидность типа Б, или 3И302Б — арсенид-галлиевый туннельный диод, разновидность типа Б. Полупроводниковые диоды, разработка которых была закончена до 1965 г.

Стабилитроны стабилизируют напряжение от 3,5 В, а для стабилизации меньшего напряжения используют стабисторы. В стабисторах используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, поэтому их включают в прямом направлении. Импульсным называется диод, который предназначен для работы в импульсных схемах.

Варианты исполнения

На сегодняшний день полупроводниковый диод может быть представлен различными видами устройств. Их классификация основана на принципе действия, материале изготовления и т.д.Существует и классификация, которая основана на области применения. Согласно ней выделяют следующие типы диодов:

• импульсные;
• стабилитроны;
• точечные;
• сплавные;
• лазер;
• светодиоды;
• варикапы и прочие типы.

Специальный реферат о каждом виде расскажет более детально, указав особенности работы, вольт амперные характеристики, свойства и т.д. для каждого типа.

Помимо этого существует и друга классификация данной продукции, основанная на функциональном предназначении:

• выпрямительный. Такие диоды предназначены для того чтобы выпрямлять переменный ток. Здесь коэффициент выпрямления будет равен отношению прямого и обратного токов (напряжение равное);
• высокочастотный. Как правило, с ними проводят исследование, связанное с работой приборов сверхвысокой и высокой частоты. Часто применяются для детектирования, а также моделирования сверхвысокочастотных колебаний. Частота может доходить до сотен мегагерц;
• варикапы. Их принцип работы базируется на изменении свойств емкости электронно-дырочного перехода. Емкость может меняться в зависимости от обратного прикладываемого напряжения;
• туннельный. Здесь усиление туннельного эффекта p-n-перехода достигается за счет использования больших концентраций различных легирующих примесей.

Данная классификация применяется чаще всего.Также типы диодов различаются по конструкции. Они могут быть:

• плоскими;
• точечными;
• микросплавными.

По делению в зависимости от мощности, выделяют такие типы:

• мощные;
• средней мощности;
• маломощные.

По параметру частоты данная продукция делится на:

• высокочастотные;
• низкочастотные;
• СВЧ.

Полупроводниковые диоды имеют большое количество делений по классам, мощностям, частотам и прочим параметрам, что демонстрирует их широкое применение.

Маркировка диодов

Каждый полупроводниковый диодный элемент обладает определенной маркировкой. Она может отличаться в зависимости от характеристик изделия, его вида, мощности и прочих параметров.

Маркировка, которая нанесена на такого рода компоненты электрических схем, является аббревиатурой и отражает параметры устройства. К примеру, маркировка КД196В расшифровывается следующим образом:

• кремниевый диод, имеющий напряжение пробоя до 0,3 В;
• напряжение 9,6 (цифра 96);
• модель третьей разработки.

Чтобы приобрести необходимый полупроводник, нужно внимательно изучить маркировку и знать, как она расшифровывается.

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

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.

Отдельный подвид

Особняком в классификации полупроводниковых типов диодов стоит ганна. Это связано с тем, что данное устройство не имеет типичного для всех перечисленных выше диодов p-n-перехода.Диод ганна обладает дифференциальным отрицательным сопротивлением. Из-за этого ганна часто используется в роли генератора малой мощности при формировании микроволн.

Диод ганна в своей конструкции имеет полупроводник N-типа. В этом проводнике электроны выступают в роли основных носителей заряда. На рисунке, где изображено строение диода ганна, видна активная область. Она представляет собой низколегированный слой арсенида галлия. С двух сторон активной области наращиваются специальные эпитаксиальные слои из высоколегированного GaAs. Толщина слоя составляет примерно 8-10 микрометров.

В результате активная область получается зажатой между 2-мя зонами, оснащенными омическими контактами. Это дает возможность обеспечить эффективный теплоотвод, который помогает избежать перегрева или повреждения выхода диода. На таком строении и основан эффект ганна, который применяется при формировании микроволн.Как видим, диод ганна имеет совершенно иное строение, чем привычные нам изделия, обладающие p-n-переходом.

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.

Достоинства продукции

Все варианты полупроводниковых диодов имеют следующие преимущества, которые сделали их постоянными составляющими многих электрических схем:

• высокие пропускные способности;
• полная взаимозаменяемость;
• невысокая стоимость, поэтому данный тип изделий может использоваться для улучшения разнообразных электрических схем. По кошельку такая модернизация уж точно не ударит;
• доступность, купить их не составит проблемы.

Вольт-амперная характеристика

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.

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.

Реальная ВАХ

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

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.