Читать онлайн «Электроника в вопросах и ответах». Страница 13

Что такое идеальный диод?

Идеальным диодом называют обычно диод с характеристикой, представленной на рис. 3.9. Резкий излом характеристики, состоящей из двух прямых отрезков, наблюдается при напряжении, равном нулю. С точки зрения эквивалентной схемы такой диод представляется нулевым сопротивлением в прямом направлении и бесконечно большим сопротивлением в обратном направлении. В некоторых применениях, например при детектировании, почти идеальным считается диод с прямолинейной характеристикой, представленной пунктирной линией на рис. 3.9.

Рас. 3.9. Вольт-амперная характеристика идеального диода

Такой диод при работе в прямом направлении аналогичен постоянному сопротивлению малого значения. В эквивалентной схеме идеального диода отсутствуют паразитные емкость и индуктивность, поэтому работа такого диода не зависит от частоты.

Характеристики реальных диодов (см. рис. 3.8) отличаются от характеристики идеального диода. Они обладают большой нелинейностью и большим изменением сопротивления, особенно в диапазоне малых напряжений в прямом направлении, и не имеют резкого излома характеристики при нулевом напряжении. Кроме того, в эквивалентной схеме реального диода следует учесть емкость между электродами, а для более высоких частот и паразитную индуктивность. В некоторых применениях существенна также инерционность диода в процессе переключения из прямого на обратное направление.

Свойства реального диода зависят не только от конструкции, но и от материала полупроводника. Лучшие свойства имеют диоды, у которых в качестве полупроводника применен кремний. При одной и той же конструкции кремниевые диоды отличаются меньшим обратным током, большим обратным напряжением, большей крутизной характеристики в прямом направлении и, что особенно существенно, большей допустимой температурой перехода (примерно до 170 °C), что позволяет работать при большей рассеиваемой мощности.

Это плоскостной диод, в котором для стабилизации напряжения используется эффект Зенера. Обратный ток диода в относительно большом интервале изменений напряжения не зависит от этого напряжения. Однако при достаточно большом значении обратного напряжения ток диода начинает резко возрастать (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Условное графическое обозначение полупроводникового стабилитрона (а) и его характеристика (б)

Напряжение, зависящее от свойств перехода (ширины, материала, концентрации примесей), составляет от нескольких до 1000 В и называется напряжением зенеровского пробоя или напряжением стабилизации. Если не будет превышена допустимая мощность рассеяния диода, пробой не разрушает диод.

Причиной резкого увеличения тока является чрезмерное увеличение напряженности электрического поля в запирающем слое, которое вызывает два эффекта: зенеровскую и лавинную ионизацию.

Для узких переходов, образующихся при сильном легировании, уже при напряжениях около нескольких вольт напряженность электрического поля становится настолько большой, что наступает зенеровская ионизация, основанная на переходе электронов из валентной зоны материала p-типа и переносе их через барьер в зону проводимости в материал n-типа[7]. Лавинная ионизация, имеющая место в широких переходах при малом легировании, вызывается бомбардировкой атомов кристаллической решетки ускоренными электронами, создающими обратный ток. Столкновение электронов с атомами вызывает лавинный процесс образования новых носителей заряда, быстро увеличивающих обратный ток.

Это полупроводниковый диод, в котором благодаря использованию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через р-n переход. Характеристика туннельного диода (рис. 3.11) имеет область отрицательного сопротивления 1, т. е. область, в которой положительному приращению напряжения соответствует отрицательное приращение тока. В таком диоде прохождение электронов через область барьера наблюдается при обратном смещении и даже при небольшом смещении в проводящем направлении, при котором имеет место максимум тока.

Рис. 3.11. Характеристика туннельного диода

Дальнейшее увеличение напряжения смещения вызывает такое уменьшение электрического ноля в барьере, что прохождение электронов через область барьера прекращается. Одновременно по мере роста напряжения возрастает «нормальный» ток диода, смещенного в прямом направлении. Название «туннельный» вытекает из более подробного рассмотрения сложных явлений в переходе, которое предполагает, что электроны, будучи не в состоянии пройти нормальным способом над потенциальным барьером, проходят под барьером, как бы через туннель.

Туннельный диод, называемый иногда диодом Есаки, используется в электронных устройствах в качестве элемента с отрицательным сопротивлением.

Это полупроводниковый диод с р-n переходом, изготовленный по специальной технологии, в котором имеет место нелинейная зависимость емкости запертого р-n перехода от приложенного к диоду обратного напряжения. Емкость диода зависит от ширины запирающего слоя, который в этом случае можно трактовать как диэлектрик конденсатора. Обкладками конденсатора служат прилегающие к запирающему слою области полупроводника. Если напряжение, смещающее диод в обратном направлении, возрастает, то емкость диода уменьшается. Для типичного диода в интервале отрицательных напряжений от нескольких десятков вольт до нуля емкость изменяется от 10 до 200 пФ (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Условное графическое обозначение варакторного диода (а) и характеристика изменения емкости (б)

Варакторные диоды, называемые также емкостными диодами или варикапами, находят применение, в частности, как элементы, включаемые в резонансные контуры, которые можно при этом перестраивать, изменяя напряжение смещения на аноде (например, с помощью потенциометра). Такое решение часто используют в радиоприемниках, исключая, таким образом, неудобный и дорогостоящий конденсатор переменной емкости поворотного типа (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Принцип перестройки резонансного контура с помощью варакторного диода

Регулируемое напряжение подводится к диоду через резистор R, сопротивление которого должно быть настолько большим, чтобы не шунтировать резонансный контур. Зависящее от этого напряжения изменение емкости диода вызывает изменение емкости, подключенной параллельно емкости резонансного контура. Тем самым изменяется результирующая емкость этого контура, а следовательно, и его резонансная частота.

Это диод, содержащий слой собственного полупроводника между областями р- и n-типа. Положительное смещение полупроводника р по отношению к полупроводнику n-типа вызывает перемещение электронов из n-области и одновременно дырок из р-области в собственный полупроводник. Концентрация примесей в собственном полупроводнике увеличивается, и сопротивление этой области уменьшается. При противоположном смещении из-за высокого удельного сопротивления области собственного полупроводника и большой ширины перехода (запирающего слоя) сопротивление велико. При смещении в прямом направлении получают изменение сопротивления диода в интервале, например, от нескольких ом до нескольких килоом.

В частности, р-i-n диоды применяют в переключающих устройствах как элементы с высокой скоростью переключения, в схемах аттенюаторов, управляемых напряжением постоянного тока, и в технике сверхвысоких частот.

Это светочувствительный диод, обычно с одним р-n переходом, работающими при смещении в обратном направлении. Под влиянием излучения, например видимого света, наступает изменение сопротивления диода и, следовательно, изменение тока, протекающего во внешней цепи. Внешнее излучение вызывает увеличение количества основных и неосновных носителей заряда и уменьшение сопротивления, что эквивалентно увеличению обратного тока диода.