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

Полупроводниковые диоды широко применяются в электронике и электронной промышленности. Они используются как самостоятельно, так и в качестве p-n-перехода транзисторов и многих других устройств. Как дискретный компонент диоды являются ключевой частью многих электронных схем. Они находят множество применений, начиная от маломощных приложений до выпрямителей тока.

Что такое диод?

В переводе с греческого название данного электронного элемента буквально обозначает «два вывода». Они называются анодом и катодом. В цепи ток проходит от анода к катоду. Полупроводниковый диод является односторонним элементом, и движение тока в противоположном направлении блокируется.

Принцип действия

Устройство полупроводниковых диодов очень разное. Это является причиной того, что существует много их типов, которые различаются как по номиналу, так и по исполняемым ими функциям. Тем не менее в большинстве случаев основной принцип работы полупроводниковых диодов одинаков. Они содержат р-n-переход, который и обеспечивает их базовую функциональность.

Этот термин обычно используется по отношению к стандартной форме диода. В действительности же он применим практически к любому их типу. Диоды составляют основу современной электронной промышленности. Все – от простых элементов и транзисторов до современных микропроцессоров – базируется на полупроводниках. Принцип действия полупроводникового диода основан на свойствах полупроводников. Технология опирается на группу материалов, внесение примесей в кристаллическую решетку которых позволяет получить участки, в которых носителями заряда являются дырки и электроны.

Р-n-переход

Диод р-n-типа получил свое название потому, что в нем используется р-n-переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Элемент обладает и другими свойствами, которые также находят широкое применение. Полупроводниковые диоды, например, способны излучать и регистрировать свет, изменять емкость и регулировать напряжение.

P-n-переход является базовой полупроводниковой структурой. Как следует из названия, он представляет собой соединение между областями p- и n-типа. Переход позволяет носителям заряда двигаться только в одном направлении, что, например, дает возможность преобразовывать переменный ток в постоянный.

Стандартные диоды обычно производятся из кремния, хотя также используется германий и другие полупроводниковые материалы, в основном для специальных целей.

Вольт-амперная характеристика

Диод характеризуется вольт-амперной кривой, которую можно разделить на 2 ветви: прямую и обратную. В обратном направлении ток утечки близок к 0, но с ростом напряжения он медленно увеличивается и при достижении напряжения пробоя начинает резко возрастать. В прямом направлении ток быстро нарастает с увеличением приложенного напряжения выше порога проводимости, который составляет 0,7 В для диодов из кремния и 0,4 В из германия. Элементы, в которых используются другие материалы, имеют другие вольт-амперные характеристики и напряжения порога проводимости и пробоя.

Диод c р-n-переходом можно рассматривать как устройство базового уровня. Он широко используется во многих приложениях – от сигнальных цепей и детекторов до ограничителей или подавителей переходных процессов в индукционных или релейных катушках и выпрямителей высокой мощности.

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.

Материал полупроводника

Материал, используемый в р-n-переходах, имеет первостепенное значение, поскольку он влияет на многие основные характеристики полупроводниковых диодов. Наиболее широко применяется кремний, поскольку он отличается высокой эффективностью и низкими производственными издержками. Еще одним часто используемым элементом является германий. Другие материалы, как правило, применяются в диодах специального назначения. Выбор полупроводникового материала важен, поскольку от него зависит порог проводимости – около 0,6 В для кремния и 0,3 В для германия.

Падение напряжения в режиме прямого тока (U пр.)

Любая электрическая цепь, через которую проходит ток, вызывает падение напряжения, и этот параметр полупроводникового диода имеет большое значение, особенно для выпрямления, когда потери мощности пропорциональны U пр. Кроме того, электронные элементы часто должны обеспечивать небольшое падение напряжения, поскольку сигналы могут быть слабыми, но им все же необходимо преодолеть его.

Это происходит по двум причинам. Первая заключается в самой природе р-n-перехода и является результатом напряжения порога проводимости, которое позволяет току преодолеть обедненный слой. Вторая составляющая – нормальные резистивные потери.

Показатель имеет большое значение для выпрямительных диодов, по которым могут проходить большие токи.

Пиковое обратное напряжение (U обр. max)

Это наибольшее обратное напряжение, которое полупроводниковый диод может выдержать. Его нельзя превышать, иначе элемент может выйти из строя. Это не просто среднеквадратичное напряжение входящего сигнала. Каждая цепь должна рассматриваться по существу, но для простого выпрямителя с одной полуволной со сглаживающим конденсатором следует помнить, что конденсатор будет удерживать напряжение, равное пику входного сигнала. Затем диод будет подвергаться действию пика входящего сигнала в обратном направлении, и поэтому в этих условиях будет иметь место максимальное обратное напряжение, равное пиковому значению волны.

Максимальный прямой ток (U пр. max)

При проектировании электрической цепи необходимо удостовериться в том, что не превышаются максимальные уровни тока диода. По мере увеличения силы тока выделяется дополнительное тепло, которое необходимо отводить.

Ток утечки (I обр.)

В идеальном диоде обратного тока не должно быть. Но в реальных р-n-переходах он есть из-за присутствия в полупроводнике неосновных носителей заряда. Сила тока утечки зависит от трех факторов. Очевидно, что наиболее значимым из них является обратное напряжение. Также ток утечки зависит от температуры – с ее ростом он значительно повышается. Кроме того, он сильно зависит от типа полупроводникового материала. В этом отношении кремний намного лучше германия.

Ток утечки определяется при определенном обратном напряжении и конкретной температуре. Обычно он указывается в микроамперах (μA) или пикоамперах (pA).

Емкость перехода

Все полупроводниковые диоды обладают емкостью перехода. Обедненная зона представляет собой диэлектрический барьер между двумя пластинами, которые формируются на краю обедненного участка и области с основными носителями заряда. Фактическое значение емкости зависит от обратного напряжения, которое приводит к изменению переходной зоны. Его увеличение расширяет обедненную зону и, следовательно, уменьшает емкость. Этот факт используется в варакторах или варикапах, но для других применений, особенно радиочастотных, этот эффект необходимо свести к минимуму. Параметр обычно указывается в pF при заданном напряжении. Для многих радиочастотных применений доступны специальные низкоомные диоды.

Тип корпуса

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды производятся в корпусах разного типа и формы. В некоторых случаях, особенно при использовании в схемах обработки сигналов, корпус является ключевым элементом в определении общих характеристик этого электронного элемента. В силовых цепях, в которых важно рассеивание тепла, корпус может определять многие общие параметры диода. Устройствам большой мощности необходимо иметь возможность крепления к радиатору. Небольшие элементы могут производиться в свинцовых корпусах или в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Типы диодов

Иногда бывает полезно ознакомиться с классификацией полупроводниковых диодов. При этом некоторые элементы могут относиться к нескольким категориям.

Обращенный диод. Хотя он и не так широко используется, представляет собой разновидность элемента р-n-типа, который по своему действию очень похож на туннельный. Отличается низким падением напряжения в открытом состоянии. Находит применение в детекторах, выпрямителях и высокочастотных переключателях.

Инжекционно-пролетный диод. Имеет много общего с более распространенным лавинно-пролетным. Используется в СВЧ-генераторах и системах сигнализации.

Диод Ганна. Не относится к р-n-типу, но представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами. Он обычно используется для генерации и преобразования сигналов СВЧ в диапазоне 1-100 ГГц.

Светоизлучающий или светодиод – один из наиболее популярных типов электронных элементов. При прямом смещении ток, протекающий через переход, вызывает излучение света. В них используются составные полупроводники (например, арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид индия), и они могут светиться разными цветами, хотя первоначально ограничивались только красным. Существует множество новых разработок, которые меняют способ функционирования и производства дисплеев, примером которых являются OLED-светодиоды.

Фотодиод. Используется для обнаружения света. Когда фотон попадает на p-n-переход, он может создавать электроны и дырки. Фотодиоды обычно работают в условиях обратного смещения, при которых можно легко обнаружить даже небольшой ток, возникающий в результате действия света. Фотодиоды можно использовать для генерации электроэнергии. Иногда в качестве фотоприемников применяются элементы pin-типа.

Pin-диод. Название электронного элемента хорошо описывает устройство полупроводникового диода. У него стандартные области р- и n-типа, но между ними существует внутренняя область без примесей. Она оказывает эффект увеличения площади области истощения, которая может быть полезна для переключения, а также в фотодиодах и т. д.

Стандартный р-n-переход можно рассматривать как обычный или стандартный тип диода, который используется сегодня. Они могут применяться в радиочастотных или других низковольтных устройствах, а также в высоковольтных и высокомощных выпрямителях.

Диоды Шоттки. Имеют более низкое прямое падение напряжения, чем стандартные кремниевые полупроводники р-n-типа. При малых токах оно может составлять от 0,15 до 0,4 B, a не 0,6 В, как у кремниевых диодов. Для этого они изготавливаются не как обычно – в них используется контакт металл-полупроводник. Они широко применяются в качестве ограничителей, выпрямителей и в радиоаппаратуре.

Диод с накоплением заряда. Представляет собой разновидность СВЧ-диода, используемого для генерации и формирования импульсов на очень высоких частотах. Его работа основана на очень быстрой характеристике отключения.

Лазерный диод. Отличается от обычного светоизлучающего, поскольку производит когерентный свет. Лазерные диоды применяются во многих устройствах – от DVD и CD-приводов до лазерных указок. Они намного дешевле других форм лазеров, но значительно дороже светодиодов. Отличаются ограниченным сроком эксплуатации.

Туннельный диод. Хотя сегодня он широко не используется, ранее применялся в усилителях, генераторах и переключающих устройствах, схемах синхронизации осциллографов, когда он был эффективнее других элементов.

Варактор или варикап. Используется во многих радиочастотных устройствах. У данного диода обратное смещение меняет ширину слоя истощения в зависимости от приложенного напряжения. В этой конфигурации он действует как конденсатор с областью истощения, выполняющей роль изолирующего диэлектрика, и пластинами, образованными проводящими областями. Применяется в генераторах, управляемых напряжением, и радиочастотных фильтрах.

Стабилитрон. Является очень полезным типом диода, поскольку обеспечивает стабильное опорное напряжение. Благодаря этому стабилитрон используется в огромных количествах. Работает в условиях обратного смещения и пробивается при достижении определенной разницы потенциалов. Если ток ограничен резистором, то это обеспечивает стабильное напряжение. Широко используется для стабилизации источников питания. В стабилитронах имеют место 2 вида обратного пробоя: разложение Зинера и ударная ионизация.

Таким образом, различные типы полупроводниковых диодов включают элементы для маломощных и высокомощных применений, излучающие и обнаруживающие свет, с низким прямым падением напряжения и переменной емкостью. В дополнение к этому существует ряд разновидностей, которые используются в СВЧ-технике.