Характеристики полупроводникового диода: детальный разбор

Характеристики полупроводникового диода: детальный разбор

При самостоятельной сборке различных электроприборов не обойтись баз такого изделия, как полупроводниковый диод. Это устройство применимо для работы многих приборов, которые люди собирают в домашних лабораториях.

Но для того чтобы применять такое устройство, необходимо знать некоторые его особенности: его виды (типы) и их характеристики (например, ВАХ или вольт амперная характеристика), принцип действия, и многое другое.
Обо всем этом вы узнаете из нашей статьи.

Полупроводниковый диод

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

Читайте также  Дюза это

I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Принцип работы

Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

Фото — принцип работы

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

Фото — характеристики полупроводников

История развития полупроводниковой техники

Первые «кристаллические» диоды

Вопреки общепринятому мнению выпрямляющие свойства перехода металл-полупроводник (диод Шоттки) известны давно. В широком смысле полупроводниковая техника начала развиваться семимильными шагами после Второй мировой войны. Причины случившегося:

  1. В военное время большинство стран вело исследования в области новых технологий. К примеру, появился на свет и был немедленно засекречен транзистор. Равно как и первый операционный усилитель предполагалось использовать для привода зенитных орудий системы противовоздушной обороны. Это изобретение могло бы увидеть свет раньше, первые работы в упомянутой области проводились на заре 30-х годов XX века.
  2. Приблизительно за 10 лет до начала Второй мировой войны большинство стран оказалось в курсе грядущих событий. Не удивительно, что держали в секрете избранные сведения.
  3. Если брать в рассмотрение фашистскую Германию, её правительство по соображениям давно взлелеянной неприязни отказывалось общаться с прочими европейскими державами. Поводом стали итоги Первой мировой войны.

Итак, полупроводниковая техника стала развиваться в условиях недавно созданной ООН, гарантировавшей мир на земле, и принятого ею устава. Выпрямительные свойства полупроводников открыты немецким учёным Карлом Фердинандом Брауном, получившим на пару с Маркони Нобелевскую премию за развитие беспроводного телеграфа (радиосвязи) в 1909 году. К великому сожалению, нет возможности найти перевод работы “Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle”, опубликованной в журнале Annalen der Physik und Chemie 1874 года за номером 153.

Двумя годами ранее, в марте 1872 года Карл получает степень доктора философии за работу в области колебаний струны. Потом остаётся в Берлинском Университете. Научный руководитель работы, Георг Квинке, получает назначение в Вюрцбург, и оба следуют туда, где внимание сосредотачивают на проводимости материалов. Опубликованы отчёты о прохождении тока сквозь расплавы солей и выпрямляющих свойствах слоёв газа с разной проводимостью. Первоначально заинтересовавшись солями свинца, Карл Браун дошёл, наконец, до сульфида меди.

23 ноября 1874 года в свет выходит работа, где обсуждаются искусственно созданные и натуральные образцы материала с точки зрения электропроводности. Избранные демонстрировали разницу в сопротивлении, зависящую от направления, составлявшую 30%. Обнаружено, что в одном из направлений проводимость образца зависит от силы текущего тока, измеренной гальванометром. Так обнаружились и нелинейные свойства материала, ныне демонстрируемые полупроводниковыми диодами. Одновременно эффект зависел от способа приложения металлических электродов, что указывало на анизотропность обнаруженных качеств.

В то время происходящее считалось необъяснимым, наблюдаемый результат противоречил известным научным фактам. Сегодня известно, что переход металл-полупроводник обладает выпрямляющими свойствами наравне с p-n-переходом. Разница в том, что на первом падение напряжения меньше. Соответственно, полупроводниковые диоды Шоттки применяют в качестве выпрямителей на выходных каскадах блоков питания. В упомянутое время Вернер Сименс обнаружил одностороннюю проводимость кристаллов селена. А Браун добавил ещё ряд материалов, среди прочего – псиломелан (руда марганца), создав первый усиковый (точечный) диод.

Первый детектор для радио

Идеям Брауна нашёл практическое применение Джагдиш Чандра Бос, собравший первый детектор для радио под частоты миллиметрового диапазона из галенита (сульфид свинца) и получивший на него патент США за номером 755840, поданный на рассмотрение 30 сентября 1901 года и одобренный в марте 1904. Бенгальский учёный доложил об изобретении в 1899 году Королевскому научному обществу Англии. Уже в декабре 1901 года прибор применили для расшифровки трансатлантической телеграфной передачи Маркони.

Вскоре появляются новые детекторы:

  • Патент № 836531, поданный 20 августа 1906 года Гринлифом Пикардом, примечателен тем, что впервые здесь упоминается о кристалле кремния (с англ. – силикон).
  • Генри Данвуди 23 марта 1906 года для целей выпрямления тока использует карбид кремния (карборунда). Материал вначале синтезирован и лишь впоследствии обнаружен на осколках упавшего метеорита.

Некоторое время кристаллический детектор использовался и даже дал направление в электронике светодиодам, но с изобретением электронных ламп полупроводники ушли на задний план. И так происходило до послевоенных лет. С началом 50-х и вхождением в обиход транзисторов, а главное – германия, полупроводниковая техника развивается семимильными шагами и поныне.

Читайте также  Толщина краски на авто

Объяснение найдено

Лишь в 1928 году Арнольд Зоммерфельд и молодой Феликс Блох (Блоховские электроны) объяснили открытие Брауна с позиций квантовой механики. В первом приближении о новом направлении науки нетрудно узнать из заметки 1931 года On the quantum mechanics of electrons in crystal lattices за авторством Грониха и Пенни из Гронингенского Университета. Русскоязычным читателям удобнее ознакомиться с одномерной моделью движения электронов в периодическом поле, которая впервые наглядно иллюстрирует природу возникновения энергетических зон в кристалле.

Показано, что функция распределения энергий не непрерывна. Присутствуют разрешённые области, разделённые запрещёнными. Сегодня о теории знает каждый ученик из школьного курса физики, но роль первопроходца целиком отдаётся Шокли, что не совсем верно. В действительности полную теорию, хорошо согласующуюся с практикой, подвёл под полупроводники Ханс Альбрехт Бете в 1942 году (несколькими годами позднее знаменитого коллеги).

Бурное развитие полупроводниковой техники

В послевоенные годы выгоды выпуска полупроводниковой техники ещё не были очевидны. На начало 50-х производством занимались две американские компании:

  1. Texas Instruments (с 1951 года – выделенное предприятие, отпочковавшееся от Объединённой геофизической службы) с 1950 году выпускает полупроводниковые транзисторы, и сегодня занимает ведущую роль в производстве электронных компонентов. Небезызвестный Джэк Килби, изобретатель интегральных микросхем, работал в упомянутой компании. На момент середины 50-х Texas Instruments занимала первое место по объёму оборота средств в сфере производства полупроводниковой техники.
  2. Ныне несуществующая компания Transitron, созданная в 1952 году Лео и Дэвидом Бакаларами, к 1955 на пару с Texas Instruments выпускала более трети всех полупроводниковых приборов, за считаные годы поднялась до вершины. Материнская для Texas Instruments компания существовала с 1930 года, работала в военное время на правительство и обладала широкой известностью. На 1961 год оборот средств Transitron составил 40 млн. долларов. И это до первого нефтяного кризиса! Дэвид числился президентом до 1984 года, через пару лет компания прекратила существование.

Упадок Transitron начался в 60-е, когда они ошибочно отказались от новых направлений. Речь идёт об интегральных микросхемах. Перспективы обрёл кремний, хотя прежде в силу известности использовался германий. Более подробно о причинах ситуации можно прочитать в топике про биполярные транзисторы.

Добавим, в полупроводниковой технике требуется столь высокая степень чистоты кремния, что на момент середины XX века производство выходило чрезвычайно дорогим. В то же время германиевые приборы показывают меньшие предельные температуры (85 градусов Цельсия) и при перегреве легко выходят из строя. Легко понять, почему Transitron, отказавшаяся вложить средства в инновации, уже с середины 60-х годов начала терпеть серьёзные убытки.

Последние силы компании оказались отняты разработкой собственного микропроцессора, не имевшего коммерческого успеха. Кстати, германий, по некоторым оценкам, вновь станет весьма перспективным элементом и полупроводником. К примеру, на его основе создаются и выпрямители. Причём не только для радиочастот, но и промышленных сетей 50 Гц 220 В, что делает их перспективными в качестве замены громоздким реле.

Полупроводниковые диоды Шокли

В 1956 году Вильям Шокли основывает в Пало Альто (штат Калифорния) собственную компанию по адресу Сауф Антонио Роуд, 391. Это первое предприятие, занимающееся полупроводниками, на месте, где теперь расположена известная Силиконовая долина. Основной продукцией стал 4-х-слойный диод, называемый в среде профессионалов транзисторным диодом или диодом Шокли.

По задумке автора приборы должны были прийти на замену обычным реле в отрасли связи. Но из-за сложности реализации идея пришлась не по зубам технологии того времени. Читатели уже догадались, что речь идёт о тиристорах с регенеративной характеристикой. Таким образом, диодом можно назвать и указанное полупроводниковое изделие. А точнее – диодом Шокли.

Состоит он из 4-х чередующихся по типу проводимости слоёв полупроводника. Крайний n-типа называется катодом, а противоположный анодом, как у обычного диода. Работа диода Шокли основана на лавинном пробое, после понижения напряжения переходы вновь запираются, и система возвращается в исходное состояние.

Новое время

Если в начале 70-х по производству полупроводниковых материалов однозначно лидировали США, на заре 80-х Япония стала наращивать темпы. Юго-Восточная Азия и Европа стали последними, кто присоединился к этой гонке. Сегодня четыре упомянутых региона примерно поровну поделили объёмы производства, и, конечно, одеяло тянет на себя Китай: за первое десятилетие XXI века удвоил объёмы выпуска. По некоторым прогнозам Пекин к 2020 году возьмёт половину от мирового производства.

Типы полупроводниковых диодов Править

Диоды: а) общее обозначение, б) симметричный, в) туннельный, г) обращённый, д) диод Шоттки; е, ж) стабилитроны; з) варикап; и) термодиод; к) выпрямительный столбик; л, м) диодные сборки; н, о) выпрямительный мост.

Под понятием полупроводникового диода собрано множество приборов с различным назначением. Приборы с одним p—n-переходом;

  1. универсальный;
  2. выпрямительный диод — достаточно мощный, позволяющий получать из переменного тока постоянный для питания нагрузки;
  3. импульсный диод;
  4. лавинно-пролётный диод;
  5. туннельный диод — диод с участком, обладающим отрицательным дифференциальным сопротивлением;
  6. стабилитрон — диод работающий на напряжении электрического пробоя в обратном направлении;
  7. варикап — диод с управляемой напряжением ёмкостью ЭДП в обратном включении;

Приборы с иными разновидностями полупроводниковых структур:

  1. диод Ганна — полупроводниковый прибор без p—n-перехода, использующий эффект доменной неустойчивости;
  2. диод Шоттки — прибор со структурой металл — полупроводник, с уменьшенным падением напряжения в прямом направлении;
  1. фотодиод — диод, преобразующий свет в разность потенциалов;
  2. светодиод — диод, излучающий свет.

Также, помимо прочего, к диодам относят:

  1. динистор (диод Шокли), неуправляемый тиристор, имеющий слоистую p—n—p—n-структуру;

Упрощенная вольт-амперная характеристика диода

Как мы увидели ранее – характеристика диода нелинейная. Для проведения расчетов электрических цепей, в которых присутствуют полупроводники, нелинейную часть характеристики заменяют эквивалентными линейными элементами и ведут расчет. Такая схема показана ниже:

Где: D – диод идеальный, Rпр – прямое, Rзв – обратное сопротивления полупроводника, Е – источник напряжения.

Если заменить вольт-амперную характеристику полупроводника ломаной линией, как это показано ниже:

Наклон отрезка АЕ будет соответствовать прямому сопротивлению элемента Rпр, точка встречи этого отрезка с горизонтальной осью будет определять значение источника напряжения Е. при отрицательном напряжении анода и положительном катода работать будет правая часть схемы, при обратной ситуации (анод +, катод -), будет работать левая часть схемы.

Устройство и принцип работы

Если понять, как работает диод, то разобраться в устройстве этого полупроводникового прибора будет довольно просто. Основу детали составляет токовый переход, соединенный с двумя контактами (положительным — анодом и отрицательным — катодом). При прямом включении напряжения открывается переход, сопротивление которого небольшое. В результате через изделие проходит ток, называемый прямым.

Если же при включении детали в схему изменить полярность, то сопротивление участка перехода резко возрастет, а показатель электротока будет стремиться к нулю. Такое напряжение принято называть обратным.

Современные диоды имеют принципиальное отличие от первых моделей, активно используемых во время радиоламп. В полупроводниковых радиодеталях токовый переход изготавливается из кремния или германия и носит название р-n-переход. Основное различие между этими материалами заключается в показателях прямого напряжения, при которых происходит открытие.

Читайте также  Грунтозацепы своими руками

Так как полупроводниковый кристалл может эффективно работать в любых условиях, то необходимость создания особой среды исчезла.

В ламповых устройствах для этого в колбу закачивался специальный газ либо создавался вакуум. В результате современные изделия имеют небольшие габариты, а стоимость их производства значительно снизилась.

Преимущества

Полупроводниковые диоды в случае их непосредственного включения в схему обеспечивают следующие преимущества:

  • Абсолютная взаимозаменяемость различных образцов;
  • Высокое качество обработки сигналов;
  • Миниатюрность и долговечность;
  • Удобство монтажа и замены;
  • Доступность и дешевизна.

Все перечисленные достоинства превратили эти полупроводниковые детали в одни из самых ходовых и востребованных элементов, используемых при проектировании большинства образцов современной радиоаппаратуры. Удобство работы с ними также проявляется в лёгкости подбора подходящего аналога (отечественного или зарубежного).

Условное изображение на схемах [ править ]

На схемах полупроводниковые приборы обозначаются равносторонним треугольником, из середины основания которого выходит анод, а к вершине примыкает серединой отрезок, параллельный основанию и с равной ему длинной. От вершины треугольника отходит катод. Внутри треугольника проводится линия,соединяющая катод и анод (в иностранных обозначениях может отсутствовать). Отрезок,обозначающий катод может видоизменяться, чтобы обозначить конструктивную особенность (барьер Шоттки) или функцию (стабилитрон, варикап).

Для позиционного обозначения диода на схемах используют префикс VD или V (как общее обозначение полупроводниковых приборов). Диодные сборки могут обозначаться DV (как разновидность интегральных элементов). На иностранных схемах могут быть другие обозначения, например D.