Материал: Физические основы электроники

сенида галлия; по назначению – выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др.; по технологии изготовления электроннодырочного перехода – сплавные, диффузионные и др.; по типу элек- тронно-дырочного перехода – точечные и плоскостные. Основными классификационными признаками являются тип электрического перехода и назначение диода.

В зависимости от геометрических размеров p–n-перехода диоды подразделяют на плоскостные и точечные.

Плоскостными называют такие диоды, у которых размеры, определяющие площадь p–n-перехода, значительно больше его ширины. У таких диодов площадь p–n-перехода может составлять от долей квадратного миллиметра до десятков квадратных сантиметров.

Плоскостные диоды (рис. 2.2) изготавливают методом сплавления или методом диффузии.

Рис. 2.2. Структура плоскостного диода

Плоскостные диоды имеют сравнительно большую величину барьерной емкости (до десятков пикофарад), что ограничивает их предельную частоту до 10 кГц.

Промышленностью выпускаются плоскостные диоды в широком диапазоне токов (до тысяч ампер) и напряжений (до тысяч вольт), что позволяет их использовать как в установках малой мощности, так и в установках средней и большой мощности.

Точечные диоды имеют очень малую площадь p–n-перехода, причем линейные размеры ее меньше толщины p–n-перехода.

Точечные р–n-переходы (рис. 2.3) образуются в месте контакта монокристалла полупроводника и острия металлической проволочки – пружинки. Для обеспечения более надежного контакта его подвергают формовке, длячегоужечерезсобранныйдиодпропускаюткороткиеимпульсытока.

В результате формовки из-за сильного местного нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в кристалл полупро-

46

водника, образуя слой иного типа электропроводности, чем полупроводник. Между этим слоем и кристаллом возникает p–n-переход полусферической формы. Благодаря малой площади p–n-перехода барьерная емкость точечных диодов очень незначительна, что позволяет использовать их на высоких и сверхвысоких частотах.

n Si

Рис. 2.3. Структура точечного диода

По аналогии с электровакуумными диодами ту сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, называют катодом, а противоположную – анодом.

2.2. Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямительные диоды, помимо применения в источниках питания для выпрямления переменного тока в постоянный, также используются в цепях управления и коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов.

Конструктивно выпрямительные диоды оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах в виде дискретных элементов (рис. 2.4, а) либо в виде диодных сборок, например диодных мостов (рис. 2.4, б), выполненных в едином корпусе.

На рис. 2.4, в приведена конструкция выпрямительного маломощного диода, изготовленного методом сплавления. В качестве полупроводникового материала использован германий. Изготовление германиевых выпрямительных диодов начинается с вплавления индия 1 в исходную полупроводниковую пластину (кристалл) германия 2 n-типа. Кристалл 2 припаивается к стальному кристаллодержателю 3. Основой конструкции является коваровый корпус 6, приваренный к кристалло-держателю.

47

Корпус изолирован от внешнего вывода стеклянным проходным изолятором 5. Внутренний вывод 4 имеет специальный изгиб для уменьшения механических напряжений при изменении температуры. Внешняя поверхность стеклянного изолятора покрывается светонепроницаемым лаком для предотвращения попадания света внутрь прибора, для устранения генерации пар «электрон–дырка» и увеличения обратного тока p–n-перехода.

1 6

Рис. 2.4. Выпрямительные диоды:

а– дискретное исполнение; б – диодные мосты;

в– конструкция одного из маломощных диодов

Конструкция ряда маломощных кремниевых диодов практически не отличается от конструкции маломощных германиевых диодов. Кристаллы мощных выпрямительных диодов монтируются в массивном корпусе, который имеет стержень с резьбой для крепления диода на охладителе/радиаторе (рис. 2.5), для отвода тепла, выделяющегося при работе прибора.

Для получения p–n-переходов кремниевых выпрямительных диодов вплавляют алюминий в кристалл кремния n-типа или же сплав золота с сурьмой в кремний p-типа. Для получения переходов также используют диффузионные методы.

48

Рис. 2.5. Мощные выпрямительные диоды:

а– дискретное исполнение; б – диодный мост;

в– диодный силовой модуль; г – конструкция одного из диодов

Выпрямительные диоды должны иметь как можно меньшую величину обратного тока, что определяется концентрацией неосновных носителей заряда или в конечном счете степенью очистки исходного полупроводникового материала. Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода описывается уравнением (1.16) и имеет вид, изображенный на рис. 2.6.

Iобр

Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода

По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода можно определить следующие основные параметры, влияющие на его работу:

1. Номинальный средний прямой ток Iпрср ном – среднее значение

тока, проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения.

2. Номинальное среднее прямое напряжение Uпрср ном – среднее значение прямого напряжения на диоде при протекании номинального

49

среднего прямого тока. Этот параметр является очень важным для обеспечения параллельной работы нескольких диодов в одной электрической цепи.

3. Напряжение отсечки Uо, определяемое точкой пересечения ли-

нейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений.

4. Пробивное напряжение Uпроб – обратное напряжение на диоде,

соответствующее началу участка пробоя на вольт-амперной характеристике, когда она претерпевает излом в сторону резкого увеличения обратного тока.

5. Номинальное обратное напряжение Uобр ном – рабочее обратное

напряжение на диоде; его значение для отечественных приборов составляет 0,5Uпроб. Этот параметр используется для обеспечения последователь-

ного включения нескольких диодов в одну электрическую цепь.

6. Номинальное значение обратного тока Iобр ном – величина об-

ратного тока диода при приложении к нему номинального обратного напряжения.

7. Статическое сопротивление диода

Статическое сопротивление диода представляет собой его сопротивление постоянному току.

Кроме рассмотренной системы статических параметров, в работе диодов важную роль играет система динамических параметров:

1. Динамическое (дифференциальное) сопротивление

ния напряжения на диоде при изменении его прямого тока на Iпр.

Динамическое сопротивление играет важную роль и в рассмотрении процессов при обратном включении диода, например в стабилитронах. Там динамическое сопротивление определяется через приращение обратного тока и обратного напряжения.

50