Напівпровідниковим діодом називають компонент із двома виводами та одним електронно-дірковим переходом. Діод пропускає електричний струм лише в одному напрямку. Застосовуються діоди в енергетиці, радіотехніці, електроніці та інших сферах - переважно для випрямляння змінного електричного струму, детектування, перетворення та помноження частоти, а також для переключення електричних кіл.

Назву «діод» запропонував у 1919 р. Вільям Генрі Еклз, утворивши її від грецької частки ді-, яка означає два, та грецького όδος, що означає шлях.

Електроди діода носять назви анод і катод. У більшості діодів, наприклад випрямних напівпровідникових, анод має позитивний потенціал щодо катода. При цьому діод відкритий (через діод проходить прямий струм, діод має малий опір). І навпаки, якщо до діода докладена зворотна напруга (катод має позитивний потенціал щодо анода), то діод закритий (опір діода великий, зворотний струм малий і може вважатися рівним нулю в багатьох практичних випадках). На рис. 10.3 подано умовне зображення діода і приклад зовнішнього вигляду випрямних діодів.

Класифікація напівпровідникових діодів

Напівпровідникові діоди класифікують за такими ознаками.

За методом отримання переходу діоди бувають:

• точкові, у яких використовується пластинка германію або кремнію з електропровідністю л-типу завтовшки 0,1-0,6 мм і площею 0,5-1,5 мм²; з пластинкою стикається загострений провідник із нанесеною на вістря домішкою. При цьому з вістря в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють ділянку з іншим типом електропровідності. Таким чином, біля вістря утворюється мініатюрний р-п-перехід напівсфе-ричної форми;

• пленарні, у яких р-п-перехід утворюється двома напівпровідниками з різними типами електропровідності, причому площа переходу в різних типів діодів лежить у межах від сотих частин квадратного міліметра до кількох десятків квадратних сантиметрів (силові діоди). Площинні діоди виготовляються методами сплавлення (вплавлення) або дифузії;

• діод Шотткі (названий на честь німецького фізика Вальтера Шотткі) є напівпровідниковим діодом з низьким значенням падіння прямої напруги та дуже швидким перемиканням. Діоди Шотткі використовують перехід метал - напівпровідник (замість р-л-переходу, як у звичайних Діодів).

За матеріалом напівпровідникові діоди бувають: германієві, кремнієві, арсенідо-галієві тощо.

За фізичними процесами, що лежать в основі роботи діода:

• тунельні (діоди Лео Есакі) - напівпровідникові елементи електричного кола з нелінійною вольт-амперною характеристикою, на якій існує ділянка з від'ємною диференційною провідністю. Застосовуються як підсилювачі, генератори тощо;

• лавинно-пролітні напівпровідникові діоди, що працюють у режимі лавинного розмноження носіїв заряду при зворотному зміщенні електричного переходу та призначені для генерування надвисокочастотних коливань;

• фотодіоди - це приймачі оптичного випромінювання, які перетворюють світло, що падає на його фоточутливу ділянку, в електричний заряд за рахунок процесів у р-л-переході. Його можна класифікувати як напівпровідниковий діод, у якому використовується залежність його вольт-амперної характеристики від освітленості;

• світлодіоди (англ. LED) - напівпровідникові пристрої, що випромінюють некогерентне світло при пропусканні через них електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція);

• діоди Ганна - тип напівпровідникових діодів, що використовується для генерації та перетворення коливань у діапазоні надвисокої частоти (НВЧ). На відміну від інших типів діодів, їхній принцип дії заснований не на властивостях р-л-переходів, а на власних об'ємних властивостях напівпровідника.

За призначенням напівпровідникові діоди поділяють на:

• випрямні - напівпровідникові діоди, призначені для перетворення змінного струму в пульсуючий;

• імпульсні - напівпровідникові діоди, що мають малу тривалість перехідних процесів в імпульсних режимах роботи;

• варикапи (діод Джона Джеумма) - напівпровідникові діоди, ємність яких керується зворотною напругою і які призначені для застосування в ролі елементів з електрично керованою ємністю;

• стабілітрони (діод Зенера) - напівпровідникові діоди, що працюють у режимі зворотного пробою та використовуються як джерело опорної напруги.

На рис. 10.4 зображено різні типи напівпровідникових діодів середньої та великої потужності.

Потужні площинні напівпровідникові діоди, що розраховані на великі струми, виготовляють у масивних металевих корпусах, які забезпечують споживання та відвід тепла, що виділяється у р-л-переході.

За допомогою масивних шайб та гайок корпус діода щільно притискається до монтажної металевої панелі. На рис. 10.5 зображено загальний вигляд силового діода з радіатором.

Основною характеристикою діода служить його вольт-амперна характеристика. її вигляд для кремнієвого діода зображено на рис. 10.6.

Рисунок демонструє наступні режими роботи напівпровідникового діода. При оберненій напрузі, більшій за Unp, наступає пробій - різке збільшення

струму. При оберненій напрузі, меншій від Unp, існує тільки малий струм насичення, здебільшого порядку мікроамперів. У разі прикладання напруги в прямому напрямку струм зростає по експоненті, залишаючись малим до напруги Ue - напруги відкривання діода. Ця напруга може бути різною залежно від типу діода, - від 0,2 В для діодів Шотткі, до 4 В у блакитних світлодіодів.

Вольт-амперна характеристика діода сильно залежить від температури навколишнього середовища, з підвищенням якої прямий струм діода при одній і тій самій напрузі може збільшуватись у декілька разів. При заданому прямому струмі зі збільшенням температури знижується пряма напруга між електродами діода.

Суттєво впливає температура навколишнього середовища і на зворотний струм, який також зростає зі збільшенням температури. У разі перевищення температури навколишнього середовища певного значення вже при невеликих зворотних напругах розвивається тепловий пробій р-п-переходу й діод виходить з ладу. Дієздатність германієвих діодів втрачається при температурі приблизно 70 °С, а кремнієвих - при 200 °С Висока термічна стійкість кремнію - найважливіша його перевага над іншими напівпровідниковими матеріалами. Кремнієві діоди допускають щільність струму в прямому напрямку 10 А/мм² та більше, що дає змогу виготовляти потужні напівпровідникові пристрої з відносно невеликими масами та габаритами.

Одна з важливих характеристик діода - пробивна зворотна напруга. Ця напруга залежить від ширини об'єднаного прошарку та у сучасних площинних діодів дорівнює сотням і тисячам вольт. Вона дещо збільшується із підвищенням температури, що не виходить за межі дієздатності діода.

Внутрішній опір площинних діодів прямого струму при номінальних режимах роботи становить десяті частки Ом; із підвищенням температури він зменшується.

Застосування напівпровідникових діодів у сучасній техніці досить різноманітне. Розглянемо найбільш характерні випадки.

Напівпровідникові діоди, призначені для випрямлення змінного струму, називають випрямними. Площинні діоди малої та середньої потужності широко використовують у схемах живлення радіоапаратури, у пристроях автоматики та обчислювальній техніці.

Діоди великої потужності використовують у силових установках для живлення тягових електродвигунів, приводу станків та механізмів, забезпечення технологічних процесів у хімічному та металургійному виробництвах.

Діоди, призначені для роботи у пристроях високої частоти (ВЧ), називають високочастотними; використовуються в радіолокації, телевимірювальній техніці та ін. Діоди надвисокої частоти (НВЧ-діоди) використовуються

для модуляції та детектування надвисоких коливань у діапазоні сотень мегагерц, а також у каскадах перетворення частоти радіоприймальних пристроїв. Як високочастотні зазвичай застосовують точкові діоди, ємність електронно-діркового переходу в яких становить сотні та десяті частки пікофарад.

Детекторні властивості НВЧ-діода, що визначаються коефіцієнтом випрямлення, залежать від ємності р-л-переходу. Чим менша ця ємність, тим більший коефіцієнт випрямлення.

Раніше встановили, що ширина об'єднаного прошарку, отже, ємність електронно-діркового переходу, залежать від напруги, прикладеної у напрямку, що не проводить. Така залежність дає можливість змінювати ємність діода, варіюючи зворотну напругу на ньому.

Діоди, що застосовуються як конденсатори електрично керованої ємності називають варикапами. Ці параметричні діоди працюють при зворотній напрузі, від якої залежить бар'єрна ємність. Таким чином, варикапи є конденсаторами змінної ємності, керованої не механічно, а електрично, при зміні зворотної напруги. Варикапи застосовуються головним чином для налаштування коливальних контурів.

Наявність у діода критичної зворотної напруги, за якої наступає електричний (не тепловий) пробій, дає змогу використати напівпровідниковий діод у схемах стабілЬації напруги. Одна з можливих схем стабілізації представлена на рис. 10.7. Вихідна напруга схеми з великим ступенем точності підтримується на заданому рівні U_Bm = const, рівному критичній (пробивній) напрузі діода U_cr Різниця між вхідною та вихідною напругою гаситься на резисторі R_r

Якщо вихідна напруга зростає, то збільшується й зворотний струм діода, зростає струм і знижується напруга на опорі, що гасить R_r Прирости напруг

взаємно компенсуються, а С/_вих зберігається на заданому рівні.

Діод, що використовується для стабілізації напруги, називається стабілітроном. Недоліком розглянутої схеми є залежність пробивної напруги стабі

літрона, а отже, й вихідної напруги U_sm від температури. Цю залежність можна зменшити, увімкнувши послідовно зі стабілітроном компенсуючий діод у прямому напрямку.

При великих концентраціях легуючих домішок помітно посилюється тунельний ефект р-п-переходу. При цьому у вольт-амперній характеристиці діода з'являється ділянка з негативним опором (прямий струм збільшується зі зменшенням прямої напруги), що дає змогу використати його у схемах генерації та підсилення електричних коливань. Такі діоди називаються тунельними.

Для роботи в імпульсних схемах виготовляють імпульсні діоди, у яких перерозподіл напруги (перехідні процеси) відбувається у десяті долі наносекунди.

Це матеріал з підручника "Електротехніка та основи електроніки" Гуржій 2020