Полупроводниковый диод представляет собой p-n-переход, имеющий два вывода – от p- и от n-области, помещенный в герметичный корпус.
По своему назначению диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные и импульсные.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный. Такие функциональные узлы называются выпрямителями. Возможная схема выпрямителя изображена на рис. 3.1.
В положительный полупериод напряжения диод оказывается включенным в прямом направлении, его сопротивление мало и все входное напряжение прикладывается к нагрузке.
В отрицательный полупериод диод включен в обратном направлении, имеет большое сопротивление. Ток в цепи и напряжение на R близки к нулю. Таким образом, на нагрузке будет пульсирующее напряжение, содержащее постоянную составляющую.
Пригодность выпрямительных диодов к применению характеризуется электрическими параметрами, соответствующими номинальному (установленному стандартом или техническими условиями) и предельно допустимому режимам работы, а также величинами, определяющими механическую и климатическую устойчивость диодов. Электрическими параметрами диодов являются: прямой ток Iпр, выпрямленный IMercredi (среднее за период значение тока через диод в однополупериодной схеме выпрямителя с активной нагрузкой), обратный ток I0; прямое Uпр и обратное Uобр напряжения, емкость диода при обратном смещении. К параметрам предельного режима работы диода, при которых обеспечивается заданная надежность при длительной работе относятся: наибольшее обратное напряжение
Enобр макс, наибольший выпрямленный ток Iср.макс, предельная частота выпрямления fmax, наибольшая температура корпуса tк макс.
Для выпрямления переменных напряжений на частотах, значительно больших, чем промышленная, используются высокочастотные диоды.
Выпрямительные свойства диода с увеличением частоты ухудшаются из-за емкостей диода. Высокочастотные диоды имеют малую емкость, которая является одним из основных параметров этих диодов. Уменьшение емкости достигается уменьшением площади p-n-перехода. Кроме емкости высокочастотные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные диоды. Как правило, высокочастотные диоды работают при малых токах и напряжениях.
Для работы в режиме переключения применятся импульсные диоды. Они используются в импульсных схемах, имеют хорошие высокочастотные свойства и малую длительность переходных процессов. Импульсные диоды должны работать, как правило, при токах больших, чем высокочастотные диоды. С увеличением прямого тока возрастает роль инерционных процессов в электронно-дырочном переходе. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
При протекании через диод прямого тока в базе вблизи перехода создается избыточная концентрация неосновных носителей заряда. Этот заряд тем больше, чем больше прямой ток и время жизни неосновных носителей в базе. После прекращения прямого тока неравновесный заряд не может исчезнуть мгновенно и сохраняется в базе в течение некоторого времени, порядка времени жизни неосновных носителей.
При быстром изменении прямого напряжения на обратное в первый момент наблюдается резкое увеличение обратного тока по сравнению с установившимся значением, а следовательно, и снижение обратного сопротивления. Возникновение броска обратного тока обусловлено тем, что избыточные неосновные носители, находящиеся в базе, вытягиваются полем перехода обратно в ту область, где они являются основными. Лишь после того, как концентрация неосновных носителей достигнет своего равновесного значения за счёт рекомбинации, ток спадает до своего установившегося значения. Это время называется временем восстановления обратного сопротивления \(\tau\)обр и является важным параметром импульсных диодов.
Наличие избыточной концентрации носителей заряда в базе приводит к снижению прямого сопротивления диода. После подачи на диод прямого напряжения электропроводность базы будет возрастать постепенно по мере ее заполнения носителями. Поэтому прямое сопротивление диода в переходном режиме оказывается большим, чем в статистическом. Интервал времени между началом протекания тока и моментом, когда напряжение на диоде достигнет величины 1,2 от установившегося значения, называют временем установления прямого сопротивления τпр . Оно также является важным параметром импульсных диодов. Для уменьшения τобр и τпр в импульсных диодах уменьшают толщину базы и вводят примеси, снижающие время жизни носителей заряда в базе.
В настоящее время широко применяются диоды с р-i-n-структурой, в которой две сильнолегированные области р- и n-типа разделены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-я область). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i-й области. Распределение электрического поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного р-n-перехода). Таким образом, i-область с низкой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектрической проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в р- и n-областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная емкость р-i-n-диода определяется размерами i-го слоя и при достаточно широкой области от приложенного постоянного напряжения практически не зависит.
Особенность работы р-i-n-диода состоит в том, что при прямом напряжении одновременно происходит инжекция дырок из р-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое сопротивление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из
i-й области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротивления i-й области по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для р-i-n-диода характерно очень большое отношение прямого и обратного сопротивлений, что при использовании их в переключательных режимах.
В качестве высокочастотных универсальных используются структуры с Шоттки и Мотта. В этих приборах процессы прямой проводимости определяются только основными носителями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие высокочастотные свойства.
Отличие барьера Мотта от барьера Шоттки состоит в том, что тонкий
i-й слой создан между металлом М и сильно легированным полупроводником n+, так что получается структура М-i-n. В высокоомном i-м слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщина обедненного слоя в n+-области очень мала и не зависит от напряжения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от напряжения и сопротивления базы.
Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шоттки, которые в отличие от р-n-перехода почти не накапливают неосновных носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления tвост (около 100 пс).
Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоплением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обратного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму (рис.3.2). При этом значение t1, может быть значительным, но t2 должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.
Получение малой длительности t2 связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя р-n-перехода путем неравномерного распределения примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришедших через обедненный слой при прямом напряжении, и поэтому препятствует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их концентрироваться около границы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способствовать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехода. В момент t1, когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный заряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время t2 спадания обратного тока до значения I0.
