Полупроводниковые диоды подразделяются на группы по многим признакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции. В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь п – р-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.
Точечные диоды имеют малую емкость п – р-перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер.
Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также арсенид галлия (GaAs) и другие соединения.
Принцип устройства точечного диода следующий. Тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный п – р-переход полусферической формы. Следовательно, разница между точечными и плоскостными диодами заключается в площади п– р-перехода.
Германиевые точечные диоды обычно изготавливаются из германия п-типа со сравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р-типа работает в качестве эмиттера. Для изготовления кремниевых точечных диодов используются кремний п-типа и игла, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.
Плоскостные диоды изготавливаются главным образом методами сплавления (вплавления) или диффузии. В пластинку германия п-типа вплавляют при температуре около 500 °С каплю индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму, и тогда получается эмиттерная область п-типа.
Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие, или ступенчатые, п– р-переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов в переходе.
Диффузионный метод изготовления п– р-перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник. Примесное вещество при этом обычно находится в газообразном состоянии. Для того, чтобы диффузия была интенсивной, основной полупроводник нагревают до более высокой температуры, чем при методе сплавления. Например, пластинку германия п-типа нагревают до 900 °С и помещают в пары индия. Тогда на поверхности пластинки образуется слой германия р-типа. Изменяя длительность диффузии, можно довольно точно получать слой нужной толщины. После охлаждения его удаляют путем травления со всех частей пластинки, кроме одной грани. Диффузионный слой играет роль эмиттера. От него и от основной пластинки делают выводы. При диффузионном методе атомы примеси проникают на относительно большую глубину в основной полупроводник, и поэтому п– р-переход получается плавным, т. е. в нем толщина области изменения концентрации примеси сравнима с толщиной области объемных зарядов.
Рассмотрим теперь диоды различного назначения.
Выпрямительные плоскостные диоды.
Широко распространены низкочастотные выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц (иногда до 50 кГц). Эти диоды применяются в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Иногда их называют силовыми диодами. Низкочастотные диоды являются плоскостными и изготавливаются из германия или кремния. Они делятся на диоды малой, средней и большой мощности, что соответствует предельным значениям выпрямленнего тока до 300 мА, от 300 мА до 10 А и выше 10 А. Все параметры диодов обычно указываются для работы при температуре окружающей среды 20±5 °С.
Германиевые диоды изготавливаются, как правило, вплавлением индия в германий n-типа. Они могут допускать плотность тока до 100 А/см2 при прямом напряжении до 0,8 В. Предельное обратное напряжение у них не превышает 400 В, а обратный ток обычно бывает не более десятых долей миллиампера для диодов малой мощности и единиц миллиампер для диодов средней мощности. Рабочая температура этих диодов от – 60 до +75 °С. Если диоды работают при температуре окружающей среды выше 20 °С, то необходимо снижать обратное напряжение. При пониженном атмосферном давлении или неудовлетворительном охлаждении возможен перегрев диодов. Чтобы не допускать его, следует снижать выпрямленный ток.
Мощные германиевые диоды работают с естественным охлаждением. Они изготавливаются на выпрямленный ток до 1000 А и обратное напряжение до 150 В.
Выпрямительные кремниевые диоды в последнее время получили особенно большое распространение. Они производятся вплавлением алюминия в кремний п-типа, а также сплава олова с фосфором или золота с сурьмой в кремний р-типа. Применяется и диффузионный метод. По сравнению с германиевыми кремниевые диоды имеют ряд преимуществ. Предельная плотность прямого тока у них до 200 А/см2, а предельное обратное напряжение может достигать 1000 В. Рабочая температура от – 60 до +125 °С (для некоторых типов даже до +150 °С). Прямое напряжение у кремниевых диодов доходит до 1,5 В, т. е. несколько больше, чем у германиевых диодов. Обратный ток у кремниевых диодов значительно меньше, чем у германиевых.
Для выпрямления высоких напряжений выпускаются кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпусах, залитых изолирующей смолой. Они бывают рассчитаны на ток до сотен миллиампер и обратное напряжение до нескольких киловольт. Для более удобной сборки различных выпрямительных схем, например мостовых или удвоительных, служат кремниевые выпрямительные блоки. В них имеется несколько столбов, от которых сделаны отдельные выводы. Мощные кремниевые диоды выпускаются на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение от 50 до 1000 В.
Выпрямительные точечные диоды.
Принцип устройства уже был нами рассмотрен. Точечные диоды широко применяются на высоких частотах, а некоторые типы и на СВЧ (на частотах до нескольких сотен мегагерц), и могут также успешно работать на низких частотах. Эти диоды используются в самых различных схемах, поэтому их иногда называют универсальными. Германиевые и кремниевые диоды выпускаются с предельным обратным напряжением до 150 В и максимальным выпрямленным током до 100 мА.
Импульсные диоды.
Важнейшим параметром, определяющим возможность использования диода при коротких импульсах, является время восстановления обратного сопротивления . Для его уменьшения диоды изготавливают так, чтобы емкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Импульсные диоды выпускают на токи в импульсе до нескольких сотен миллиампер и предельные обратные напряжения в несколько десятков вольт.
Для наиболее коротких импульсов производят одновременно в большом количестве так называемые мезадиоды. Сначала на пластинке основного полупроводника диффузионным методом создается слой с другим типом электропроводности. Далее эта пластинка покрывается специальной маской и подвергается травлению. Маска защищает от травления много небольших участков. Именно в этих защищенных областях остаются п – р-переходы малого размера, которые возвышаются над поверхностью пластинки в виде «столиков». Затем пластинка распиливается на отдельные части – диоды. Особенностью мезадиодов является уменьшенный объем базовой области. За счет этого сокращается время накопления и рассасывания носителей в базе. Одновременное изготовление большого числа диодов из одной пластинки обеспечивает также сравнительно малый разброс их характеристик и параметров.
Стабилитроны.
Как было показано, вольтамперная характеристика полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т. е. в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного. На рис. 20 представлена типичная вольтамперная характеристика стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме стабилизации напряжение меняется незначительно. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.
Кремниевые стабилитроны могут быть изготовлены на малые напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных устройств.
Рассмотрим основные параметры кремниевых стабилитронов. Напряжение стабилизации Uстможет быть примерно от 5 до 200 В, изменение тока стабилитрона от Imin до Imах составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность Pmax, рассеиваемая в стабилитроне, – от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление Rд = Δ u /Δi в режиме стабилизации может быть от десятых долей ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напряжения. Низковольтные стабилитроны небольшой мощности имеют сопротивление Rд от единиц до десятков ом. Чем меньше Rд, тем лучше стабилизация. При идеальной стабилизации было бы Rд = 0. Так как Rд является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, т. е. сопротивлением постоянному току R0 = u/i.Сопротивление R0 всегда во много раз больше Rд.
Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который характеризует изменение напряжения Uст при изменении температуры на один градус, т.е.
ТКН = Δ Uст /( Uст – ΔT). (27)
Температурный коэффициент напряжения может быть от 10–5 до 10– 3 К–1 Значение Uсти знак ТКН зависят oт удельного сопротивления основного полупроводника. Стабилитроны на напряжения до 7 В изготавливаются из кремния с малым удельным сопротивлением, т. е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах п – р-переход имеет малую толщину, внем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то п – р-переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.
Простейшая схема применения стабилитрона показaнa на рис. 21. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Bсe изменения напряжения источника E при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резистором Rогр.
Стабисторы.
Это полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем, в отличие от стабилитронов, у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжения мало зависит от тока в некоторых его пределах. Как правило, стабисторы производят из кремния, они имеют напряжение стабилизации в среднем около 0,7 В. Ток стабисторов обычно может быть от 1 мА до нескольких десятков миллиампер. Для получения стабильного напряжения в единицы вольт соединяют последовательно несколько стабисторов. Особенность стабисторов –отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положительный температурный коэффициент напряжения.
Варикапы.
Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые не механически, а электрически, т. е. изменением обратного напряжения.
Рис. 22. Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве
конденсатора переменной емкости
Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специальных схемах, например, в так называемых параметрических усилителях. На рис. 22 показана простейшая схема включения варикапа в колебательный контур. Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура. Добавочный резистор R1с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R.Конденсатор Ср является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L.
В качестве варикапов довольно успешно можно использовать кремниевые стабилитроны при напряжении ниже Uст,когда обратный ток еще очень мал и, следовательно, обратное сопротивление очень велико.
. Для его уменьшения диоды изготавливают так, чтобы емкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Импульсные диоды выпускают на токи в импульсе до нескольких сотен миллиампер и предельные обратные напряжения в несколько десятков вольт.
