2.5. Полупроводниковые диоды

В технических условиях и справочных листах на полупроводниковые диоды среди электрических параметров выделяют так называемые классификационные параметры. По этим параметрам из группы полупроводниковых диодов выбирают необходимый тип (подтип). Если для выпрямительных диодов в качестве классификационного параметра обычно указывается обратное напряжение, то импульсные диоды классифицируются по времени восстановления обратного сопротивления, стабилитроны — по напряжению стабилизации и т.д. В зависимости от конструкции, технологии изготовления и назначения диодов в технических условиях и справочных листах может указываться несколько классификационных параметров.

Выпрямительные диоды предназначены для использования в разнообразных выпрямительных схемах, работающих обычно на токах низкой частоты (50...2000 Гц). Для таких диодов указывается среднее значение прямого тока или величина вы прямленного тока (в последний входит и обратный ток диода во время действия полуволны обратного напряжения). Падение напряжения на диоде при этом характеризуется средним значением прямого напряжения за период. Если выпрямитель работает на емкостную нагрузку, мгновенное значение прямого тока может значительно превышать среднее значение тока. Предельный электрический режим использования диодов характеризуется следующими параметрами: максимальное обратное напряжение — напряжение любой формы и периодичности; максимальное значение прямого тока или выпрямленного тока в зависимости от конкретного схемного применения диода.

Высокочастотные диоды — приборы универсального назначения. Они могут быть использованы для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов. Свойства высокочастотных диодов характеризуют следующие параметры: падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока; обратный ток при заданном обратном напряжении; дифференциальное сопротивление диода; диапазон рабочих частот, на любой частоте этого диапазона выпрямленный диодом ток не должен быть меньше заданного уровня по сравнению со значением выпрямленного тока на частоте нижнего предела диапазона.

Импульсные диоды предназначены для использования в качестве ключевых элементов в схеме при малых длительностях импульсов и переходных процессов (микросекунды и доли микросекунд). При коротких импульсах учитывается инерционность процессов включения и выключения диодов. После включения прямого тока напряжение на диоде устанавливается не мгновенно. Интервал времени от начала импульса прямого тока до момента, когда напряжение на диоде упадет до заданного уровня, называется временем установления прямого сопротивления диода. Отношение максимального импульсного прямого напряжения на диоде к импульсу прямого тока называется импульсным сопротивлением диода. При протекании прямого тока в базе диода накапливается заряд. При подаче запирающего напряжения этот заряд рассасывается и вызывает протекание импульса обратного тока, который может во много раз превышать установившееся значение обратного тока. Интервал времени от момента, когда ток через диод равен нулю, до момента, когда обратный ток уменьшится до заданного уровня, называется временем восстановления обратного сопротивления диода. Импульсные диоды характеризуются малым значением барьерной емкости, измеряемой как емкость между выводами при заданном напряжении смещения.

Стабилитроны — диоды, предназначенные для стабилизации напряжения в схеме при изменении тока, протекающего через диод. Основной параметр стабилитрона — напряжение стабилизации в рабочей точке, для которой задается дифференциальное сопротивление стабилитрона — отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому изменению тока стабилизации. Нормируется также дифференциальное сопротивление при минимальном токе стабилизации. Важным параметром является ТКН (температурный коэффициент напряжения стабилизации) — отношение относительного изменения напряжения к абсолютному изменению температуры окружающей среды. Значение ТКН выражается в процентах на 1° С. Стабильность работы стабилитронов характеризуется величиной дрейфа напряжения стабилизации, указывающей максимальную абсолютную величину изменения напряжения стабилизации в течение заданного времени. Нормируется также разброс напряжения стабилизации от прибора к прибору. Диод, в котором для стабилизации используется прямая ветвь ВАХ, называют стабистором. Напряжение стабилизации стабисторов составляет всего несколько десятых долей вольта. Максимальный режим работы для стабилитронов и стабисторов характеризуется максимальным током стабилизации и максимальной рассеиваемой мощностью.

Туннельный диод характеризуется наличием на его ВАХ участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Отрицательное сопротивление сохраняется до сотен и тысяч МГц. Наличие в характеристике туннельного диода участка с отрицательным сопротивлением позволяет использовать его в усилителях, генераторах синусоидальных и релаксационных колебаний, переключающих схемах.

Диоды Шотки отличаются от диодов на р—-n-переходах отсутствием инжек-ции неосновных носителей. Это означает, что у них отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе, а это существенно повышает быстродействие диодов при изменениях токов и напряжений, в том числе при переключениях с прямого направления на обратное и с обратного на прямое. Время таких переключении определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять десятые и сотые доли на-носекунды. Соответствующие рабочие частоты лежат в пределах 3...15 ГГц. Не менее важной особенностью диодов Шотки является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением нар—га-переходе. Это объясняется тем, что ВАХ у диодов Шотки описывается той же классической формулой (4.7), что и у р—n-переходов, но тепловой ток существенно больше, поскольку диффузионная скорость, характерная для р—n-перехода, у диода Шоттки заменяется на среднюю тепловую скорость носителей. Последняя превышает величину диффузионную примерно на 3 порядка. В таком же отношении различаются и тепловые токи. В конечном итоге это означает, что прямое напряжение у диодов Шотки будет примерно на 0,2 В меньше, чем у р—га-перехода. Такое различие иногда весьма существенно, например, при использовании таких диодов для предотвращения насыщения транзисторных ключей. Типичными для диодов Шоттки являются прямые напряжения 0,4 В. Что касается обратных токов, то они могут составлять, в зависимости от площади, единицы и десятые доли пикоампер, т.е. близки к реальным обратным токам кремниевых р—га-переходов, определяемым термогенерацией. Еще одна особенность диодов Шотки состоит в том, что их прямая ВАХ строго подчиняется экспоненциальному закону (4.7) в очень широком диапазоне токов — на протяжении нескольких декад, от 10-12 до 104 А. Отсюда следует возможность использования диодов Шотки в качестве прецизионных логарифмирующих элементов.

Тот факт, что барьеры Шоттки получили распространение сравнительно недавно (в начале 70-х годов), хотя их теория была разработана в двадцатых годах, объясняется, во-первых, тем, что для получения качественных барьеров необходимо было осуществить "органичный" (не прижимной) контакт металла с полупроводником, что оказалось возможным только после освоения техники вакуумного напыления пленок. Во-вторых (особенно для диодов), необходимо было обеспечить малое сопротивление базы при достаточно высоком пробивном напряжении, а это удалось достигнуть только после освоения эпитаксиальной технологии.