Вопреки распространенному мнению, выпрямительные свойства переходов металл-полупроводник (диодов Шоттки) известны уже давно. В самом широком смысле полупроводниковая технология начала развиваться скачками после Второй мировой войны. Причины:
Полупроводниковый диод
Невозможно управлять некоторыми электрическими устройствами, не контролируя направление электрического тока. В электронике для достижения этой цели эффективно используется полупроводниковый диод. Использование биполярного диода позволяет преобразовывать переменный и постоянный ток в пульсирующий, однонаправленный ток.
Устройство
Полупроводниковый диод — это биполярный прибор из полупроводникового материала, который пропускает ток в одном направлении и почти не пропускает ток в другом направлении.
Основным элементом диода является кристаллический элемент с p-n-переходом, к которому приварены (припаяны) металлические анод и катод. Постоянный ток течет, когда к аноду прикладывается положительный потенциал по отношению к катоду.
Обратите внимание. Отверстия движутся в направлении постоянного тока. Электроны движутся в противоположном направлении.
Диоды могут быть точечными, плоскими или поликристаллическими.
Дополнительная информация. Принципиальных различий между точечными и планарными биполярными устройствами нет.
Структура точечного диода показана на рисунке (a).
Когда тонкая игла, на которую нанесена примесь, приклеивается к полупроводниковой пластине определенного типа проводимости, образуется полусферический мини p-n контакт другого типа проводимости. Этот процесс называется конфигурацией диода.
В результате процесса диффузионного сплавления образуется планарный биполяр. На рисунке (b) показан немецкий термоядерный диод и принцип его работы. Когда капля индия расплавляется при температуре 500 градусов в германиевой пластине n-типа, образуется слой германия p-типа. Выходные контакты, которые приварены к основным пластинам из германия и индия, изготовлены из никеля.
Для производства полупроводниковых пластин используются германий, кремний, арсенид галлия и карбид. Монокристаллические полупроводниковые пластины с цельной нормальной структурой используются в качестве основы для точечных и планарных биполярных полупроводников.
В поликристаллических биполярных приборах p-n-переход формируется слоями полупроводников, состоящих из большого количества случайно ориентированных мелких кристаллов, которые не образуют однородную монокристаллическую форму. Это p-n-переходы из селена, титана и оксида меди.
Основные характеристики и параметры диодов
Чтобы устройство работало правильно, оно должно быть выбрано соответствующим образом:
- Вольтамперной характеристикой;
- Максимально допустимым постоянным обратным напряжением;
- Максимально допустимым импульсным обратным напряжением;
- Максимально допустимым постоянным прямым током;
- Максимально допустимым импульсным прямым током;
- Номинальным постоянным прямым током;
- Прямым постоянным напряжением при номинальном токе;
- Постоянным обратным током, указываемым при максимально допустимом обратном напряжении;
- Диапазоном рабочих частот;
- Ёмкостью;
- Пробивным напряжением (для защитных диодов и стабилитронов);
- Тепловым сопротивлением корпуса при различных вариантах монтажа;
- Максимально допустимой мощностью рассеивания.
Виды полупроводников
Полупроводники, состоящие только из атомов германия или кремния, называются чистыми или внутренними.
Полупроводники, в которых свободных электронов значительно больше, чем дырок, называются полупроводниками n-типа. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями заряда — дырки.
Полупроводники, в которых свободных дырок значительно больше, чем электронов, называются полупроводниками p-типа. Дырки являются первичными носителями заряда, а электроны — вторичными носителями заряда.
Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основан на явлении, возникающем на границе между двумя полупроводниками с различной электропроводностью: p-n-переходе.
Устройство полупроводникового диода
Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным (p-n) контактом (основной частью) и двумя выводами. Выход p-n-перехода называется анодом, а выход n-перехода — катодом.
В зависимости от формы и размера p-n контакта различают планарные диоды (рис. 1) и точечные диоды (рис. 3). Точечный диод имеет p-n контакт в форме точки, а планарные диоды имеют большую площадь в форме плоскости. Планарные диоды могут пропускать значительные токи, но они работают на низких частотах. В отличие от них, точечные диоды могут работать на высоких частотах, но пропускать небольшие токи.
Полупроводниковая пластина n-типа припаивается к металлическому основанию планарного диода, называемого кристаллодержателем. На нем расплавляется капля металла, обычно индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в полупроводниковую пластину и формируют на ее поверхности слой p-типа. К кристаллической опоре и индию припаяны проводниковые дорожки, которые служат проводниками диода.
Рис. 1 — Структура плоского диода (справа — плоский выпрямительный диод D242B) 1 — изолятор, 2 — корпус, 3 — вывод анода, 4 — паяное соединение, 5 — кварц, 6 — держатель кварца, 7 — внешние провода
Полупроводниковый точечный диод состоит из полупроводниковой пластины n-типа и вольфрамовой или фосфорной латунной пружины диаметром 0,1 мм. Через пружину, прикрепленную к полупроводниковой пластине, пропускается сильный электрический ток. Металлическая пружина приваривается к полупроводниковой пластине и образует p-область под наконечником.
Рис. 2 — Структура точечного диода (справа — точечный диод KD522B) 1 — провода, 2 — стеклянный цилиндр, 3 — полупроводниковая пластина, 4 — металлическая пружинная проволока.
Чем больше площадь p-n контакта, тем больше ток, который может протекать через него, и тем больше его емкость. Планарные полупроводниковые диоды используются в электрических цепях, где протекают большие токи, а емкостные свойства не оказывают существенного влияния на работу диода. Точечные диоды используются в цепях с малыми токами и в высокочастотных устройствах.
Для защиты полупроводника от механических повреждений, света, пыли и влаги он помещен в герметичный корпус.
Условные графические обозначения полупроводниковых диодов
| Твердотельный выпрямительный диод, общее обозначение | |
| Ворота и стабилизатор | |
| Обратимый проводящий стабилизатор | |
| Varicap | |
| Диод Шоттки | |
 |
LED |
 |
Фотодиод |
Когда внешний источник напряжения подключен к диоду положительной стороной к аноду (p-область) и отрицательной стороной к катоду (n-область), такое подключение называется прямым (рис. 3), а протекающий через него ток — прямым.
Рис. 3 — Прямое диодное соединение
Если внешний источник напряжения подключен с положительным напряжением на катоде и отрицательным на аноде, такой диод называется переходом (рис. 4), а ток, протекающий через него, — обратным током. Когда обратное напряжение велико, происходит пробой p-n контакта.
Рисунок 4 — Схема обратного тока диода
Неисправность может быть тепловой или электрической. Тепловой пробой разрушает кристалл, и свойства p-n контакта теряются. Электрический пробой, который не переходит в тепловой пробой, является обратимым, т.е. свойства p-n-перехода восстанавливаются при снятии обратного напряжения.
Начало полупроводниковой эры
Интересно, что кристаллический полупроводниковый диод был изобретен и запатентован почти одновременно с вакуумным диодом. Немецкий физик К. Ф. Браун обнаружил эффект выпрямительного диода в кристаллах PbS (сульфид свинца) и CdS (сульфид кадмия) в 1874 году. На следующем рисунке показана конструкция выпрямителя на основе полупроводника. Видно, что контакт тонкой проволоки касается кристалла и образует переход металл-полупроводник. Такая конфигурация, но только в современной микроэлектронной конструкции, представляет собой не что иное, как диод Шоттки. В 1899 году К. Ф. Браун получил первый патент на полупроводниковый выпрямитель.
Дальнейшее развитие электронных полупроводников связано с открытием и изучением физических параметров p-n-перехода.
Что такое p-n-переход
Принцип действия большинства твердотельных электронных устройств (диодов, тиристоров, транзисторов и микросхем) основан на электрофизических свойствах p-n-перехода. В качестве основы обычно используется монокристаллический кремний, хотя в некоторых приложениях могут применяться и другие полупроводники — германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs). Различные процессы легирования (встраивания) с дополнительными примесями в кремнии создают две соседние области. Одна из них является электронопроводящей и называется n-областью (донорные примеси — мышьяк (As), сурьма (Sb), фосфор (P)), вторая — p-областью (акцепторные примеси — алюминий (Al), индий (In), галлий (Ga)) и обладает дырочной проводимостью.
Переход, пограничный слой, называется p-n контактом. Он обладает рядом уникальных электрических и оптических свойств. Существует два способа включения диода в устройства:
- 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, стало возможным преобразование электрических сигналов (выпрямление, зондирование, стабилизация), но полупроводниковые диоды устроены таким образом, что имеют неоспоримые преимущества в плане надежности, компактности и механической стабильности.
Вольт-амперная характеристика ПД
Характеристическое вольт-амперное напряжение — это отношение между током, протекающим через диод, и напряжением, приложенным к его электродам. Типичная вольт-амперная характеристика типичного полупроводникового диода описывается следующей формулой:
Графическое представление VAC полупроводникового диода из кремния и германия показано на следующем рисунке. В оси проводников в положительном направлении ток Iпр(прямой ток) увеличивается экспоненциально от Uпр. При обратном напряжении (минус на аноде, плюс на катоде) ток достигает постоянного значения Iсреднеквадратичное значениечто соответствует закрытому состоянию диода. Прямой ток Iпрна несколько порядков больше, чем обратный ток.
«Открытие» германиевого диода начинается при U* = 0,1-0,2 В, а кремниевого — при 0,5-0,6 В. Чтобы предотвратить экспоненциальное увеличение тока из-за перегрева и разрушения кристаллической структуры, последовательно с БП подключается ограничивающий резистор.
Uпрдля всех рабочих токов, которые не превышают следующих значений:
- Для кремниевых ПД — 1.5 В.
- Для германиевых — 1.0 В.
При дальнейшем увеличении обратного напряжения происходит лавинообразное увеличение тока, температура кристалла повышается, что приводит к пробою p-n контакта.
Диод в цепи постоянного тока
Как уже упоминалось, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Чтобы продемонстрировать это, давайте построим простую схему.
Поскольку лампа накаливания работает от напряжения 12 вольт, мы также устанавливаем источник питания на 12 вольт и собираем всю схему в соответствии с приведенной выше схемой. В результате лампочка загорается идеально. Это показывает, что через диод протекает электрический ток. В этом случае диод называется подключенным через него.
Теперь заменим диодные линии. В результате схема выглядит следующим образом.
Как видите, лампочка не загорается, потому что диод не пропускает ток, т.е. блокирует его, хотя блок питания выдает реальные 12 вольт.
Какой вывод можно сделать из этого? Диод проводит постоянный ток только в одном направлении.
Диод в цепи переменного тока
Для тех, кто забыл, что такое переменный ток, прочитайте эту статью. Чтобы изучить функцию диода в цепи переменного тока, нам необходимо составить схему. Здесь мы видим генератор частоты G, диод и две клеммы X1 и X2, с которых мы будем снимать сигнал с помощью осциллографа.
Мой генератор частоты выглядит следующим образом.
Осциллограмма записывается с помощью цифрового осциллографа.
Осциллятор генерирует синусоидальное переменное напряжение.
Что происходит после диода? Подключаемся к клеммам X1 и X2 и смотрим на осциллографе.
Диод отрезал нижнюю часть синусоиды, оставив только верхнюю часть.
Что произойдет, если мы заменим провода диода? Схема выглядит следующим образом.
Что мы получаем на терминалах X1 и X2? Давайте посмотрим на осциллограмму.
Вот это да! Диод прерывает только положительную часть синусоиды!
Характеристики диода
Рассмотрим диод KD411AM, который мы ищем в Интернете, введя в поисковый файл «data sheet KD411AM».
Чтобы объяснить параметры диода, нам также понадобится следующий WAV
1) Максимальное обратное напряжение Uсреднеквадратичное значение— напряжение, которое может выдержать диод при обратном смещении с током Iсреднеквадратичное значение— это ток при переключении диода в обратном направлении. При превышении обратного напряжения в диоде происходит так называемый лавинный пробой, что приводит к сильному увеличению тока, который может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем тестовом диоде это напряжение составляет 700 вольт.
2) Максимальный прямой ток Iпр— максимальный ток, который может протекать через диод. В нашем случае это 2 ампера.
3) Максимальная частота Fdкоторый не должен быть превышен. В нашем случае максимальная частота диода составляет 30 кГц. Если частота будет выше, наш диод не будет работать должным образом.
