Что такое полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод (ПД) — это электронное устройство с двумя электродами на базе монокристаллического вещества, обладающего электрофизическими свойствами полупроводника. Основное назначение диода — пропускать ток только в одном направлении и блокировать в обратном (стабилитроны, стабисторы) обеспечивается с помощью p-n-перехода, сформированного в полупроводнике. Светочувствительные свойства перехода используются в фото- и светодиодах. Разработаны и применяются в электронных схемах ПД без p-n-перехода (диоды Шоттки, диоды Ганна), которые нашли своё применение в СВЧ-устройствах.

От вакуумного диода к полупроводниковому

Термином диод называется двухэлектродный элемент электроники (от греческого «ди-» — два, окончание «-од» — путь), имеющий существенную разницу в электропроводности при смене полярности напряжения, поданного на его электроды. Один из электродов называется «анод», второй — «катод». Первые диоды представляли собой стеклянные лампы, в которые были впаяны металлические электроды. Источником электронов в них служит разогретый катод, через который пропускается ток, возбуждающий термоэлектронную эмиссию.

Если к аноду приложено положительное напряжение, то возникает поток электронов, вылетевших из катода в направлении анода, то есть, в цепи формируется ток (диод открыт). В случае подачи на анод отрицательного напряжения электроны отталкиваются в зону катода — ток в цепи отсутствует (диод закрыт). Данный физический механизм применяется для выпрямления переменного тока и детектирования высокочастотных радиосигналов. В ламповом диоде для улучшения термоэлектронной эмиссии по соседству с катодом добавляется нить накала. Впервые электровакуумный диод был запатентован английским исследователем в области радиотехники Д. А. Флемингом в 1904 г.

В настоящее время ПД практически вытеснили вакуумные аналоги из областей массового применения по следующим причинам:

• Лампы имеют существенно большие габаритные размеры и массу.
• Стеклянная колба требует дополнительных мер защиты от случайных ударов, падений или вибрации. Этот недостаток отсутствует у полупроводниковых аналогов.

Начало полупроводниковой эры

Интересно, что кристаллический полупроводниковый диод был изобретен и запатентован почти одновременно с вакуумным. Немецкий физик К. Ф. Браун в 1874 г. обнаружил выпрямляющий диодный эффект у кристаллов PbS (сульфид свинца) и CdS (сульфид кадмия). На картинке ниже представлена конструкция выпрямителя на основе полупроводника. Видно, что тонкий проволочный контакт упирается в кристалл, образуя переход металл-полупроводник. Такая конфигурация, но только в современном, микроэлектронном исполнении есть не что иное, как диод Шоттки. В 1899 г. К. Ф. Браун получил первый патент на полупроводниковый выпрямитель.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связано с открытием и изучением физических параметров p-n-перехода.

Что такое p-n-переход

Принцип работы большинства элементов твердотельной электроники (диодов, тиристоров, транзисторов и микросхем) базируется на электрофизических свойствах p-n-перехода. В качестве основы обычно используется монокристаллический кремний, хотя для решения отдельных задач могут применяться другие полупроводники — германий (Ge), арсенид галлия (GaAs). С помощью различных технологий легирования (внедрения) дополнительными примесями в кремнии формируются две, граничащие друг с другом области. Одна из них имеет электронную проводимость и называется n-областью (донорные примеси — мышьяк (As), сурьма (Sb), фосфор (P)), а вторая — p-областью (примеси-акцепторы — алюминий (Al), индий (In), галлий (Ga)) и обладает дырочной проводимостью.

Переходной, пограничный слой  называется p-n-переходом. Он обладает рядом уникальных электрических и оптических свойств. Существует два варианта включения диода в устройствах:

• На анод, каковым является p-слой, подаётся положительное напряжение (плюс), а на катод (n-слой) — отрицательное (минус). В этом случае переход открыт, сопротивление ПД минимальное, ток течёт свободно.
• Когда на катоде плюс, а на аноде минус, p-n-переход расширяется, его сопротивление резко увеличивается, а так называемый обратный ток через ПД падает до минимального значения.

Как и в случае с ламповыми диодами, появилась возможность для преобразования электрических сигналов (выпрямление, детектирование, стабилизация), но твердотельные диоды устроены так, что обладают неоспоримыми преимуществами в части надёжности, компактности, механической устойчивости.

Вольт-амперная характеристика ПД

ВАХ — это зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к его электродам напряжения. Вольтамперная характеристика типичного полупроводникового диода описывается следующей формулой:

Графическое представление ВАХ кремниевого и германиевого полупроводникового диода показано на картинке ниже. По оси ординат в положительном направлении ток I_пр (прямой ток) растёт экспоненциально от U_пр. При обратном напряжении (минус на аноде, плюс на катоде) ток выходит на постоянное значение I_обр, что соответствует состоянию диода «закрыто». Ток прямого включения I_пр на несколько порядков превышает обратный ток.

У германиевого диода «открывание» начинается при U^*= 0.1-0.2 В, а у кремниевого при 0.5-0.6 В. Чтобы экспоненциальный рост тока не привёл к перегреву и разрушению кристаллической структуры, последовательно с ПД включается резистор-ограничитель.

U_пр для всех величин рабочих токов не превышает следующих значений:

• Для кремниевых ПД — 1.5 В.
• Для германиевых — 1.0 В.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения происходит лавинообразный большой скачок тока, рост температуры кристалла, что приводит к пробою p-n-перехода.

Типы полупроводниковых диодов

В настоящее время разработаны и тиражируются виды электронных и оптических полупроводниковых диодов в широком ассортименте. Классифицируются они по целому ряду признаков, среди которых конструктивные особенности, назначение, материал изготовления. Есть полупроводниковые диоды, работающие без p-n-перехода. В них используется только свойство контакта металл-полупроводник. По конструктивному исполнению диоды могут быть точечные и плоскостные, а по изготовлению — сплавные и диффузионные.

Классификация диодов отражается в их условных обозначениях. Маркировка основывается на буквенно-цифровом коде. Все знаки системы обозначений указаны в отраслевых стандартах — ОСТ 11336.919-81 и ГОСТ 20859.1-89. Например, маркировка КД196В расшифровывается как кремниевый выпрямительный диод напряжением 9.6 В с характеристиками класса «В».

Выпрямительные ПД

Для начала рассмотрим, что такое выпрямительный полупроводниковый диод (ВД). Основное назначение данного электротехнического устройства — превращение переменного тока в постоянный.

На рынке представлены ВД с разными физическими параметрами. Устройства имеют разнообразные геометрические размеры и монтажные особенности. Различают три группы ВД:

• Большой мощности, способные обеспечивать работу при токах до 400 А. Производятся в корпусах двух типов: штыревом и в виде таблетки (корпус из керамики).
• Средней мощности. Способны работать в диапазоне 300 мА-10 А.
• Малой мощности. Максимальный рабочий ток — 300 мА.

Стабилитроны

Этот тип ПД имеет ещё одно название — диод Зенера, по имени изобретателя — американского физика К. М. Зенера. Этот тип ПД на основе слаболегированного кремния работает при обратном напряжении в режиме электрического пробоя. Основное предназначение стабилитрона — стабилизация напряжения. Диоды Зенера, выпускаемые промышленностью могут обеспечивать стабильное напряжение с необходимой точностью в диапазоне от 1.8 В до 400.0 В.

Стабисторы

Устройство и принцип работы стабисторов также позволяет использовать их для целей стабилизации напряжения, но в отличие от стабилитронов они работают на ветви ВАХ в области прямого смещения, поскольку напряжение на этом участке почти не зависит от тока. Стабилизируемое одним ПД напряжение составляет порядка 0.7 В. Набор последовательно соединённых стабисторов позволяет удвоить или утроить это значение. На рисунке ниже показана ВАХ ПД, на одном из участков которой функционирует стабистор, а на другом — стабилитрон. Эти радиодетали на схеме имеют одинаковое условное обозначение. На рисунке показано также как обозначается симметричный стабистор.

Варикапы

Этот вид ПД работает при обратном смещении в качестве переменной ёмкости (конденсатора), величина которого меняется в зависимости от поданного электрического сигнала. Принцип действия устройства основан на реагировании барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного смещения.

Варикапы находят своё применение в электронных схемах настройки частоты колебательных контуров, частотных делителях и умножителях, частотных модуляторах, фазовращателях.

PIN-диоды

Полупроводниковый PIN-диод — это устройство, в котором между электронной n-областью и дырочной p-областью имеется значительный нелегированный i-слой, подавляющий выпрямительные свойства ПД. PIN-диоды используются в аттенюаторах (ослабителях уровней сигналов), фотодекторах, быстродействующих переключателях и высоковольтной электронике.

Лавинно-пролётные диоды (ЛПД)

Работа ЛПД (английское название IMPATT-diode) базируется на эффекте лавинного умножения заряженных частиц. ЛПД применяются в схемах СВЧ-генерации. Рабочая область ЛПД — участок лавинного пробоя.

Туннельный диод

Это полупроводниковый прибор, который часто называют диодом Эсаки по имени автора изобретения — японского физика Лео Эсаки. В структуру туннельного диода включен p-n-переход, обе области проводимости которого легированы до предельно возможных концентраций 10¹⁹ см^-3 и выше. На участке ВАХ в прямом направлении появляется участок с отрицательным дифференциальным настроением, возникающий благодаря квантовому эффекту туннелирования.

Туннельный диод предназначен в основном для использования в качестве предварительных усилителей, генераторов и высокочастотных переключателей. Рабочие частоты диода имеют достаточно высокие параметры, могут достигать 100 ГГц. В качестве исходных полупроводников применяются германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), антимонид галлия (GaSb).

Диоды Шоттки

Данные радиоэлементы называются так в честь изобретателя — немецкого исследователя В. Шоттки. В них отсутствует p-n-переход. Вместо него применяется барьер Шоттки, образованный контактом металл-полупроводник. Использование данного барьера обусловливает совершенно другие физические механизмы. При работе ПД использует исключительно основные носители заряда, при этом быстродействие ограничивается только величиной барьерной ёмкости.

Диоды Шоттки применяются везде, где необходимо минимальное значение прямого падения напряжения (менее 0.6 В), а также в высокочастотных схемах. Чаще всего их можно встретить в импульсных стабилизаторах напряжения, а также в блоках питания компьютеров.

Приведённая классификация ПД можно быть дополнена диодами, в которых используются оптические свойства полупроводников. В светодиодах (LED — light emitted diode) p-n-переход излучает свет в широком диапазоне спектра: от инфракрасного до ультрафиолетового. В фотодиодах используются свойства перехода генерировать ток при освещении его светом. На базе светодиодов дополненных компактными резонаторами реализованы полупроводниковые лазеры.

Видео по теме