Обозначение диодов. Виды, маркировка и назначение диодов

ВАХ-характеристики

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен и некоторых параметров. Например, идеальный полупроводниковый выпрямитель или диод имеет следующие параметры:

1. Сопротивление при прямом подключении – 0 Ом;
2. Тепловой потенциал – VG = +-0,1 В.;
3. На прямом участке RD > rD, т. е. прямое сопротивление больше, чем дифференциальное.

Если все параметры соответствуют, то получается такой график:

Фото – ВАХ идеального диода

Такой диод использует цифровая электротехника, лазерная индустрия, также его применяют при разработке медицинского оборудования. Он необходим при высоких требованиях к логическим функциям. Примеры – лазерный диод, фотодиод.

На практике, эти параметры очень отличаются от реальных. Многие приборы просто не способны работать с такой высокой точностью, либо такие требования не нужны. Эквивалентная схема характеристики реального полупроводника демонстрирует, что у него есть серьезные недостатки:

Фото – ВАХ в реальном полупроводниковом диоде

Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц. Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.

Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX. Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит, как самый обычный светодиод. Для контроля температуры используются разные виды устройств. Естественно, некоторые из них влияют на проводимость, но зато продлевают работоспособность диода.

Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки. Его формула зависит от остальных параметров используемого диода. Чаще всего схемы его обозначают, как I_OP. Исследование независимых экспертов установило, что германиевые пропускают до 200 µА, а кремниевые до 30 µА. При этом многие импортные модели ограничиваются утечкой в 0.5 µА.

Фото – отечественные диоды

Все разновидности диодов поддаются напряжению пробой. Это свойство сети, которое характеризуется ограниченным напряжением. Любой стабилизирующий прибор должен его выдерживать (стабилитрон, транзистор, тиристор, диодный мост и конденсатор). Когда внешняя разница потенциалов контактов выпрямительного полупроводникового диода значительно выше ограниченного напряжения, то диод становится проводником, в одну секунду снижая сопротивление до минимума. Назначение устройства не позволяет ему делать такие резкие скачки, иначе это исказить ВАХ.

Кремниевый плоскостной диод

Кремниевые плоскостные диоды рассчитаны на допустимые прямые токи от 0 5 до 1600 А. Падение напряжения на диодах при этих токах не превышает 1 5 В. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов ( до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов.
 

Кремниевые плоскостные диоды получаются путем сплавления кристалла кремния с алюминием. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе.
 

Кремниевые плоскостные диоды с нормированным напряжением пробоя и резким нарастанием обратного тока в точке пробоя ( рис. 9 — 29) используются как стабилитроны.
 

Кремниевые плоскостные диоды обладают такими характеристиками, которые дают возможность применять их в качестве стабилизирующих элементов так же, как стабилитроны.
 

Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.
 

Кремниевый плоскостной диод типа 202 состоит из кристалла кремния и вплавленного в него электрода из алюминия.
 

В мощных кремниевых плоскостных диодах применяется трехслойная р — и-структура. В кристалл кремния с одной стороны вплавляется алюминий, с другой — сурьма. Атомы алюминия, диффундируя в кремний, образуют / — слой, а атомы сурьмы — n — слой Глубина-диффузии такова что между р — и — слоями остается нетронутый слой кремния, роль которого сводится к увеличению толщины слоя результирующего р — n — нврехода. Это позволяет увеличить обратное напряжение. Однако прямое падение напряжения при этом увеличивается по сравнению с германиевыми диодами.
 

Стабилитроны представляют собой кремниевые плоскостные диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Они предназначены для стабилизации уровня постоянного напряжения. Указанный электрический пробой объясняется тем, что при [ / ер Uo6p пр электрическое поле в p — n — переходе становится столь сильным, что в состоянии сообщить носителям заряда энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов.
 

Электронно-дырочные переходы кремниевых плоскостных диодов изготовляют вплавлением алюминия в кристалл кремния п-ти-па или вплавлением сплава олова с фосфором либо золота с сурьмой в кристалл кремния р-типа. Переходы получают также путем диффузии фосфора в кристалл кремния р-типа либо путем диффузии бора в кристалл n — типа. Для маломощных кремниевых плоскостных диодов наибольшее распространение получил первый из перечисленных методов.
 

Фридман и др. рассмотрели кремниевый плоскостной диод с р — п-переходом, состоящий из материала базы n — типа с высоким удельным сопротивлением и сильно легированного материала р-типа с низким удельным сопротивлением. Они считают, что вопрос о соответствующем выражении для прямых характеристик при высокой плотности тока остается открытым.
 

Кремниевый силовой диод

Кремниевые силовые диоды и тиристоры из-за малого объема; небольшой теплоемкости вентильного элемента и высокой плотности тока р-п перехода обладают повышенной чувствительностью к токовым перегрузкам. В то время как постоянная времени нагрева обмоток трансформаторов или электродвигателей определяется десятками минут, для кремниевого силового вентиля она составляет сотые доли секунды. Следовательно, защита преобразователя от перегрузки должна быть быстродействующей.
 

Кремниевые силовые диоды и тиристоры ввиду малого объема, небольшой теплоемкости вентильного элемента и высокой плотности тока р-п перехода обладают повышенной чувствительностью к токовым перегрузкам. Если постоянная времени нагрева обмоток трансформаторов или электродвигателей равна десяткам минут, то для кремниевого диска силового вентиля она составляет сотые доли секунды.
 

Экспериментальные исследования кремниевых силовых диодов, наиболее полно проведенные сотрудниками ФТИ им.
 

В связи с этим германиевые и кремниевые силовые диоды являются приборами плоскостного типа и обычно изготовляются методом шлавления. В германиевых диодах в пластинку электронного мате -) иала с удельным сопротивлением примерно р 20 ом см вплавляется шдий. При изготовлении кремниевых диодов в электронный мате -) иал р 30 омсм вплавляется алюминий.
 

В рассматриваемой системе для регулирования тока возбужде ния генератора / ОВг используются кремниевые тиристоры типа ВКАУ на 150 А и кремниевые силовые диоды ВК. Надежность работы управляемого тиристорного выпрямителя УВВ определяется двумя факторами: надежностью по силовой цепи ти-ристоров и по цепи управления.
 

Во время эксплуатации преобразователей возникают как технологические перегрузки, так и аварийные режимы, которые сопровождаются прохождением через вентили токов, недопустимых по значению и длительности. Кремниевые силовые диоды и тиристоры ввиду малого объема, небольшой теплоемкости вентильного элемента и высокой плотности тока р — / т-перехода обладают повышенной чувствительностью к токовым перегрузкам. Если постоянная времени нагрева обмоток трансформаторов или электродвигателей равна десяткам минут, то для кремниевого диска силового вентиля она составляет сотые доли секунды. Следовательно, защита преобразователя должна быть быстродействующей, т.е. быстро отключить электроустановку или ее часть и предотвратить повреждение вентилей.
 

Диоды для уменьшения температурных напряжений и лучшего отвода тепла установлены с радиаторами. В схеме использованы кремниевые силовые диоды типа В-200-6-В.
 

Этот агрегат состоит из специального понизительного трансформатора, выпрямительных блоков, высоковольтного выключателя и аппаратуры защиты управления и сигнализации. Мощные выпрямительные агрегаты выполняются на ртутных управляемых вентилях, а также на кремниевых силовых диодах.
 

Толщина слоя объемного заряда в / г-базе силовых диодов достигает десятков и сотен микрометров. Обратный ток кремниевых силовых диодов при комнатных температурах равен единицам и десяткам микроампер.
 

Тиристоры с односторонним отводом тепла ( рис. 217, г) имеют корпус 14, крышку 11, стеклянный изолятор 12 и другие элементы вентиля такой же конструкции, как у обычных кремниевых диодов. Он проходит через стеклянный изолятор и изолируется от силового вывода. Мощные тиристоры рассчитаны для работы с охладителями такого же типа, как у кремниевых силовых диодов. У тиристоров обычно катодом служит гибкий шунт, а анодом — основание вентиля.
 

Обратный ток электронно-дырочного перехода, как было показано в § 1.2 и 1.3, состоит из диффузионной и генерационной составляющих, причем для кремниевых структур генерационная составляющая намного больше диффузионной. Обе составляющие обратного тока согласно (1.42) экспоненциально растут с температурой, однако диффузионная возрастает намного быстрее генерационной. Поэтому при высоких температурах диффузионная составляющая может стать сравнимой с генерационной. Но максимально допустимые значения рабочих температур кремниевых силовых диодов не превышают 140 — 200 С. Вплоть до этих температур генерационная составляющая обратного тока, как правило, преобладает над диффузионной.
 

Кремниевый стабилитрон

Кремниевый стабилитрон представляет собой специальный полупроводниковый диод, у которого благодаря обратному смещению перехода рабочая точка в нормальном режиме лежит на участке кольт-амперной характеристики с напряжением, практически не зависящим от протекающего через него тока.
 

Кремниевые стабилитроны — это плоскостные диоды, изготовленные по особой технологии. В отличие от обычных диодов, кремниевые стабилитроны работают на обратной ветви вольт-амперной характеристики в области пробоя. На рис. 4.16 представлена вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона. Область 1 — 2 характеристики является рабочей. Кремниевые стабилитроны характеризуются теми же параметрами, что и газоразрядные стабилитроны, за исключением напряжения возникновения разряда.
 

Кремниевые стабилитроны имеют малые габариты.
 

Кремниевые стабилитроны допускают больший ток лагрузки, чем нормальные элементы.
 

Кремниевый стабилитрон по своим характеристикам напоминает ионный стабилитрон, отличаясь от него рядом преимуществ. Для устранения основного его недостатка — зависимости прямого и обратного напряжений от температуры — применяют термостабилизацию, которая основана на зависимости температурного коэффициента напряжения ( ТКН) от номинального напряжения стабилизации. До напряжения порядка 5 5 в ТКН отрицателен, при 5 5 в равен нулю, при больших напряжениях положителен. Для стабилитрона Д808 напряжение стабилизации при обратном включении превышает 5 5 в, его ТКН положителен, при прямом включении ТКН отрицателен и имеет меньшую величину. Разный знак ТКН дает возможность, соединяя последовательно и встречно несколько стабилитронов, осуществить температурную компенсацию стабилизируемого ими напряжения.
 

Кремниевый стабилитрон включается по такой же принципиальной схеме, что и газовый.
 

Кремниевые стабилитроны с малым температурным коэффициентом ( например, стабилитроны Д818) имеют малую величину сопротивления Rat, которым можно пренебречь. У стабилитронов с отрицательным температурным коэффициентом и у р — n переходов, включенных в прямом направлении, Rat имеет обратный знак, чем а -, вследствие чего дифференциальное сопротивление на постоянном токе имеет меньшее значение, чем на переменном.
 

Кремниевые стабилитроны стабилизируют как в прямом, так и в обратном включении по схемам, приведенным на рис. VIII. Диапазон стабилизируемых напряжений очень широк — от 0 63 В до нескольких сотен вольт. Однако наибольший интерес представляют стабилизаторы в диапазоне низких напряжений ( единицы и десятки вольт), где они незаменимы.
 

Кремниевые стабилитроны VD1 — VD3 поддерживают напряжение на уровне 100 В, обеспечивающем нормальную работу контактов магнитоэлектрических реле. Параллельно каждому контакту включен искрогасительный контур из последовательно соединенных конденсатора и резистора.
 

Кремниевые стабилитроны могут быть изго-товлены на малые напряжения ( единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных устройств.
 

Кремниевые стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания ( как стабилитроны газового разряда), а также для фиксации уровней напряжений ( и токов) в схемах ( отсюда и происходит второе название кремниевых стабилитронов опорные диоды) и для некоторых других целей.
 

Кремниевые стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений ( я токов) в схемах и для некоторых других целей.
 

Полупроводниковый стабилитрон

В качестве нелинейных элементов в схеме моста используются полупроводниковые стабилитроны.
 

Полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, импульсные, полупроводниковые стабилитроны, туннельные, четырехслойные, фотодиоды и варикапы. Каждый из этих типов диодов имеет свои специфические особенности и требует особого анализа. Поэтому целесообразно ограничиться их качественной характеристикой в той мере, в какой это необходимо для анализа различных электронных и импульсных схем.
 

Следует отметить, что защита транзисторов с помощью полупроводниковых стабилитронов является эффективной лишь при сравнительно небольших скоростях нарастания импульсов перенапряжений, так как стабилитроны имеют недостаточно высокое быстродействие. Для защиты от быстронарастающих импульсов следует применять ограничители напряжения с временем включения около нескольких наносекунд.
 

Это свойство использовано для создания стабилизаторов напряжения — полупроводниковых стабилитронов. Таким образом, полупроводниковый стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.
 

В маломощных устройствах широко применяют стабилизаторы, использующие характеристики полупроводниковых стабилитронов. Качество стабилизации повышается с применением активных приборов, таких, как транзисторы или электронные лампы.
 

Иногда вместо сопротивления R применяется нелинейный элемент ( например, полупроводниковый стабилитрон), что позволяет получить различный коэффициент передачи для изменяющейся и постоянной составляющих входного сигнала.
 

В слаботочных цепях в качестве стабилизатора напряжения используют газовдле или полупроводниковые стабилитроны, схемы включения которых и нелинейная характеристика показаны на рис. 2.7 а — в. При расчете такого стабилизатора задаются напряжением входа, напряжением и током нагрузки.
 

В слаботочных цепях в качестве стабилизатора Напряжения используют газовые или полупроводниковые стабилитроны, схемы включения которых и нелинейная характеристика показаны на рис. 2.1 а — в. При расчете такого стабилизатора задаются напряжением входа, напряжением и током нагрузки.
 

Принцип работы таких шунтовых стабилизаторов аналогичен принципу работы газовых или полупроводниковых стабилитронов. При этом ток нагрузки высоковольтного кенотрона поддерживается на одном и том же уровне, соответствующем максимальному току лучей кинескопа. Если не применять стабилизирующий триод, то из-за падения напряжения на относительно большом. Происходящее при этом изменение чувствительности приводит к нарушению сведения лучей и к появлению цветной бахромы и цветных окантовок, особенно заметных на монохромном изображении. Нарушается также статический и динамический баланс белого. В итоге ухудшается четкость и возникает нежелательное подкрашивание монохромных и цветных изображений.
 

На рис. 11.8, а приведена схема параметрического стабилизатора напряжения с полупроводниковым стабилитроном, включенным параллельно нагрузке. Последовательно с нагрузкой включен балластный резистор RQ для создания необходимого режима работы. Стабилитрон работает в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики.
 

Кремниевый туннельный диод

Кремниевые туннельные диоды изготовляются путем сплавления кремния с высоким содержанием примеси Р, As и Sb с алюминием, обогащенным бором.
 

Кремниевые туннельные диоды со сколько-нибудь удовлетворительными характеристиками пока получить не удается.
 

Кроме того, кремниевые туннельные диоды обладают высокой температурной стабильностью и могут надежно работать в широком интервале температур окружающей среды.
 

Изменение характеристик возрастание избыточного кремниевого туннельного диода тока наблюдается при об — при введении золота ( Т 300 К), лучении прибора быстрыми электронами, причем ток растет пропорционально времени облучения. Эти эксперименты, а также теоретические оценки, свидетельствуют о том, что избыточные токи вызываются туннельными переходами через примесные уровни.
 

Эксперимент с кремниевыми туннельными диодами показал, что они на порядок менее стойкие к воздей ствию радиации, чем германиевые.
 

Нейтронное облучение также сильнее влияет на кремниевые туннельные диоды, чем на диоды из GaAs. Диоды из GaAs несколько уступают по радиационной стойкости туннельным диодам из германия, особенно диодам на основе / лгермания.
 

Заметим, что измерения, проведенные на германиевых и кремниевых туннельных диодах, показывают, что емкость С практически не уменьшается с увеличением степени легирования п — и / ( — областей. Величина рпр, определенная из С по (32.18), примерно равна величине % g, полученной из измерений на слабо легированных образцах, несмотря на то, что ] iN Щ1Р менялись в довольно широких пределах.
 

Избыточный ток изучали Мейерхофер и др. в вырожденных германиевых переходах, Чиновет и др. l — в кремниевых туннельных диодах; Кейн рассмотрел теорию избыточного тока в туннельных переходах.
 

Типовой максимальный ток этих диодов равнялся 16 ма, а минимальный 4 ма. Отношение этих токов 4: 1 следует считать типичным для кремниевых туннельных диодов.
 

Наиболее радиационно-стойким являются диоды на основе p — Ge и несколько хуже арсенид-галлиевые. Кремниевые диоды уступают арсенид-галлиевым и на 1 — 2 порядка хуже германиевых. На рис. 5.3, а приведены прямая ветвь ВАХ кремниевого туннельного диода после облучения нейтронами, а на рис. 15.3 6 — аналогичные изменения прямой ветви ВАХ арсенид-галлиевого диода при р-облучении.
 

Плоскостной кремниевый диод

Плоскостные кремниевые диоды имеют идеальные характеристики выпрямления при весьма высокой температуре ( до 165 С); они могут дать ток 1 5 а без внешнего охлаждения, имеют очень небольшой обратный ток, даже при очень высокой температуре, и незначительное снижение напряжения при полной нагрузке; приборы полностью герметизированы.
 

Плоскостные кремниевые диоды, предназначенные для стабилизации постоянного напряжения или для получения опорного ( образцового неизменного) напряжения, называются кремниевыми стабилитронами, опорными диодами. Они представляют собой разновидность кремниевых диодов с повышенной концентрацией носителей зарядов в полупроводниках.
 

Плоскостные кремниевые диоды типа Д202 — Д211 применяются для выпрямления переменного тока в источниках питания радиоаппаратуры.
 

Некоторые плоскостные кремниевые диоды с р — п-переходом обладают обратными характеристиками, сравнимыми с характеристиками электронных ламп. Их обратный ток меньше, чем у германиевых диодов, благодаря чему их обратное сопротивление изменяется с температурой значительно меньше, чем у германиевых диодов.
 

У плоскостного кремниевого диода в пластину из кремния с проводимостью п вплавлен элемент III группы, например алюминий. Пограничный слой кремния, куда проникают атомы алюминия, приобретает дырочную проводимость.
 

В плоскостных кремниевых диодах в пластинку из кремния с электронной проводимостью вместо индия вплавляют алюминиевый столбик, который создает область с дырочной проводимостью.
 

Промышленность выпускает плоскостные кремниевые диоды типов Д205 — Д211 для выпрямителей средней мощности и типов ВК-Ю и ВК-50 для выпрямителей большой мощности.
 

Основными недостатками плоскостных кремниевых диодов являются шумы в области лавинного пробоя и отсутствие насыщения обратной ветви вольтамперной характеристики, что показано на фиг. Шумы широко изменяются от прибора к прибору и, по-видимому, не являются обязательным свойством кремниевых переходов, так как у некоторых образцов приборов шумы отсутствуют Шумы почти всегда ограничены областью малых токов на характеристике лавинного пробоя, иногда связаны с определенным напряжением, имеют обычно белым спектр и в некоторых случаях зависят от температуры. Имеются предположения, что в некоторых приборах шумы обусловлены механическими повреждениями ( трещинами) в области р-п переходов.
 

В другом полупроводниковом модуляторе используются плоскостные кремниевые диоды, емкость которых зависит от напряжения. Этот модулятор, представляющий собой, по существу, параметрический усилитель, может давать усиление по мощности. Используя его, можно получить весьма малый дрейф по напряжению в узких температурных диапа — зонах. Принцип работы модулятора иллюстрируется на фиг.
 

Установлено, что в случае плоскостного кремниевого диода эта формула вполне точна только для прямого тока, но что обратные токи не насыщаются. Поэтому было сделано предположение , что вследствие малого времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии обратный ток из-за генерирования носителей ловушками в области пространственного заряда больше тока насыщения неосновных носителей, диффундирующих в эту область. Обратный ток ловушек пропорционален ширине области пространственного заряда.
 

На рис. 9.3, а показана конструкция плоскостного кремниевого диода средней мощности.
 

Как отмечалось в § 1.12, отличительной особенностью плоскостного кремниевого диода является резкое изменение обратного тока при малых изменениях обратного напряжения в области сильных полей. Эту особенность кремниевых диодов используют при создании стабилизаторов напряжения — стабилитронов.
 

Как уже отмечалось в § 4.3, отличительной особенностью плоскостного кремниевого диода является резкое изменение обратного тока при малых изменениях обратного напряжения в области сильных полей. Эту особенность кремниевых переходов используют для создания стабилизаторов напряжения — стабилитронов.
 

Для ослабления влияния перегрузок пепь R / — ИП1 зашунтирована шестью плоскостными кремниевыми диодами Дзо — Д — в прямом включении. При нормальной работе прямое напряжение на каждом диоде незначительно ( максимальная величина его составляет U изм. При этом напряжение на каждом диоде не превышает 0 7 в, п общее напряжение на цепи RO — ИП1 не превышает 4 2 в, то есть микроамперметр перегружен менее чем в 3 раза, что практически уже не представляет опасности.