Полупроводниковый диод — это электропреобразовательный прибор с одним р — n-переходом и двумя внешними выводами от областей полупроводника с различными типами проводимости. Полупроводниковые диоды бывают точечные и плоскостные.
В точечных диодах р — n-переход возникает при контакте заостренной металлической проволоки с пластинкой кремния или германия.
В плоскостных диодах р — n-переходы создают методом сплавления полупроводников с различными типами проводимости, методом диффузии донорной или акцепторной примеси из газовой среды внутрь полупроводника и др.
В качестве исходного материала для сездания диодов применяют германий и кремний. Использование кремния предпочтительнее. Обратный ток кремниевого диода гораздо меньше, а допустимое обратное напряжение может быть гораздо больше, чем германиевого. Зато прямее напряжение на германиевых диодах меньше (0,1...0,3 В), чем на кремниевых (0,6... 1 В). Германиевые диоды применяют при низких напряжениях.
О свойствах полупроводникового диода судят по его вольт -амперной характеристике, которая выражает зависимость тока диода от приложенного к нему напряжения и является вольт-амперной характеристикой р — «-перехода. Для снятия ее один раз подают на диод обратное напряжение, а затем прямое, изменяют его величину и ведут измерение тока в его цепи.
Для оценки свойств диода вводят ряд параметров. Основными параметрами диодов являются:
прямой (выпрямленный) ток Iпр — ток, протекающий через диод в прямом направлении;
максимально допустимый постоянный прямой ток I пр. макс — наибольшее значение прямого тока, который можно пропускать через диод;
постоянное прямое напряжение £/пр — значение постоянного напряжения на диоде, когда через него проходит прямой ток;
постоянное обратное напряжение Ua6(l — значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;
максимально допустимое обратное постоянное напряжение UобР. макс — максимальное обратное напряжение, при котором не происходит пробой диода;
пробивное напряжение f/npo6 — напряжение, составляющее 0,8 от максимального обратного напряжения диода: £/проб=0,8 Uобр. макс,
постоянный обратный ток IобР — значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;
максимальная Тмакс и минимальная Гмин температура окружающей среды — предельные значения температуры окружающей среды, при которых диод сохраняет свою работоспособность.
Классификация полупроводниковых диодов ведется по исходному материалу, технологии изготовления, площади р — n-перехода, назначению и области применения. Рассмотрим ряд разновидностей полупроводниковых диодов.
Выпрямительные диоды предназначаются для преобразования переменного напряжения промышленной (f=50 Гц) и низкой (f<50 кГц) частот в постоянное напряжение. Они плоскостные и рассчитаны на большие значения выпрямленных токов и высокие обратные напряжения. Выпрямительные диоды бывают маломощными и мощными.
Маломощный кремниевый диод имеет пластинку кремния, которую припаивают к кристаллодержателю, являющемуся одновременно основанием корпуса прибора. Через стеклянный изолятор в корпусе проходит вывод диода. У мощных диодов кристаллодержатель — массивное основание с винтом и плоской поверхностью для надежного теплового контакта с внешним теплоотводом.
На практике для выпрямления высоких напряжений применяют последовательное включение однотипных диодов, а для выпрямления больших токов — параллельное. Характеристики однотипных диодов не бывают одинаковыми.
Поэтому с целью выравнивания обратных напряжений при последовательном включении диодов параллельно им включают шунтирующие резисторы сопротивлением 10...50 кОм.
Если применяют параллельное включение диодов, то для равномерного распределения токов между однотипными диодами последовательно с каждым из них включают резистор сопротивлением от долей Ом до единиц Ом.
Выпускаются специальные выпря- мощного выпрямительного мительные столбы, предназначенные для использования в целях высокого напряжения. Такой столб содержит от 5 до 50 последовательно соединенных идентичных диодов. В зависимости от их количества допускается обратное напряжение от 2 до 40 кВ.
Имеются также диодные сборки и диодные матрицы, содержащие в одном корпусе совокупность диодов или соединенные между собой диоды в виде цепей для выпрямления переменного тока. В диодных сборках применяются параллельное, последовательное, мостовое и другие соединения диодов.
Высокочастотные диоды в состоянии обеспечить одностороннюю проводимость тока при частотах до сотен мегагерц. Они имеют малую площадь переходов, характеризуются емкостью переходов в единицы пикофарад, допускают прямые токи, не превосходящие десятков миллиампер, и низкие обратные напряжения.
Импульсные диоды являются специальными высокочастотными диодами, предназначенными для использования в цепях, где имеют место быстрые, скачкообразные изменения напряжений.
Разновидность диодов — стабилитроны. Вольт-амперная характеристика их в области обратных напряжений имеет крутой участок, соответствующий пробою р — n-перехода. Вид характеристики для прямых напряжений такой же, как и для обычного диода. При подведении к стабилитрону обратного напряжения и его возрастании обратный ток вначале является небольшим и мало зависит от величины напряжения. Когда происходит лавинный пробой перехода, напряжение на диоде остается почти неизменным при изменениях обратного тока в пределах от минимального Iст. мин до максимального Iст. макс. Это явление используют в стабилизаторах напряжения — устройствах для поддержания неизменного напряжения на его выходе в случае колебаний величины подводимого к нему напряжения в определенных пределах.
Для стабилизации напряжения применяются также ста-бисторы — диоды с крутым участком характеристики в области прямых напряжений. Поскольку величины прямых напряжений на диодах являются небольшими, напряжение стабилизации для стабисторов не превосходит единиц вольта.
Для получения электрических колебаний высокой частоты в быстродействующих импульсных и других устройствах применяются туннельные диоды. Их изготовляют на основе германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей. Они имеют специфическую вольт-амперную характеристику. При малых напряжениях наблюдается прохождение тока и его рост с увеличением напряжения независимо от полярности. Когда прямое напряжение достигает значения около 0,1 В, при дальнейшем его увеличении обнаруживается не возрастание, а, наоборот, уменьшение тока диода. Вольт-амперная характеристика включает падающий ее участок. При дальнейшем возрастании прямого напряжения происходит увеличение прямого тока диода. Туннельные диоды являются быстродействующими приборами, в состоянии работать на частотах в сотни МГц.
Промышленность выпускает также специальные диоды, предназначенные в качестве конденсаторов с управляемой величиной их емкости под воздействием обратного напряжения. Они получили название варикапов. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения является нелинейной. Воздействие обратного напряжения на емкость варикапа проявляется в большей степени при малых его значениях. Выпускаемые промышленностью варикапы имеют емкость от единиц до сотен пикофарад. Их применяют в качестве элементов с электрически управляемой емкостью в целях колебательных контуров радиоприемников и передатчиков.
В отличие от конденсаторов, содержащих диэлектрик с высоким сопротивлением, в цепи варикапа протекает ток. Он является небольшим, порядка долей микроампера. В случае подачи на р — n-переход прямого напряжения ток в его цепи резко увеличивается и может составить десятки миллиампер. Использование варикапа при прямом напряжении на нем недопустимо.
С 1978 г. действует семизначный буквенно-цифровой код обозначения полупроводниковых диодов. Первый элемент — буква или цифра — обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен прибор: Г или 1—германий, или его соединения; К или 2 — кремний или его соединения; А или 3 — соединения галлия; И или 4 — соединения индия. Второй элемент — буква, определяющая подкласс приборов: Д — диоды; С — стабилитроны; В — варикапы; Ц — выпрямительные столбы и блоки. Третий элемент — цифра, определяющая один из основных признаков прибора (параметр, назначение или принцип действия). Четвертый, пятый, шестой (может быть лишь четвертый и пятый) — трехзначное (двузначное) число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа прибора. Седьмой элемент — буква — условно указывает классификацию по параметрам приборов, изготовленных по единой технологии. Например, К.Д212Б означает кремниевый выпрямительный диод с допустимым прямым током до 10 А, предназначен для устройств широкого применения, 12-й номер разработки, группа Б.
