Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — это электронный компонент, выполненный на основе полупроводникового материала (обычно кремния или германия), обладающий двумя выводами (анодом и катодом) и свойством односторонней проводимости электрического тока. Основным элементом диода является p-n-переход — область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости (электронной и дырочной). Принцип работы диода основан на выпрямлении переменного тока: он пропускает ток только в одном направлении (прямом) и блокирует его в обратном.

История

Первые наблюдения односторонней проводимости в контакте металла с полупроводником были сделаны в конце XIX века. В 1874 году немецкий физик Фердинанд Браун обнаружил, что контакт металлического острия с кристаллом галенита (сульфида свинца) обладает выпрямляющими свойствами. Это открытие легло в основу кристаллических детекторов, использовавшихся в первых радиоприёмниках.

Однако настоящий прорыв произошёл в 1940-х годах с развитием технологии создания p-n-переходов. В 1947 году американские физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли в лаборатории Bell Labs создали первый точечный транзистор, что стимулировало исследования в области полупроводников. В 1950-х годах были разработаны сплавные и диффузионные методы изготовления диодов, что позволило наладить их массовое производство. К 1960-м годам кремниевые диоды практически полностью вытеснили германиевые благодаря лучшей термической стабильности и меньшим обратным токам.

Устройство и принцип работы

P-n-переход

Основой полупроводникового диода является p-n-переход. Полупроводник p-типа (положительный) легирован акцепторными примесями (например, бором), создающими избыток дырок (положительных носителей заряда). Полупроводник n-типа (отрицательный) легирован донорными примесями (например, фосфором), создающими избыток электронов.

При контакте двух областей начинается диффузия: электроны из n-области переходят в p-область, а дырки — в обратном направлении. В приконтактной зоне образуется обеднённый слой, лишённый свободных носителей заряда, и возникает внутреннее электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии. Это поле формирует потенциальный барьер.

Прямое и обратное включение

• Прямое смещение: к аноду (p-область) прикладывается положительное напряжение, к катоду (n-область) — отрицательное. Внешнее поле ослабляет внутреннее поле p-n-перехода, потенциальный барьер уменьшается, и через переход начинает протекать значительный прямой ток. Напряжение, при котором ток резко возрастает, называется прямым напряжением (для кремниевых диодов — около 0,6–0,7 В, для германиевых — 0,2–0,3 В).
• Обратное смещение: к аноду прикладывается отрицательное напряжение, к катоду — положительное. Внешнее поле усиливает внутреннее, потенциальный барьер увеличивается, и ток через переход практически прекращается. Протекает лишь незначительный обратный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Вольт-амперная характеристика диода описывает зависимость тока через диод от приложенного напряжения. ВАХ имеет ярко выраженную нелинейность:

• В области прямых напряжений — экспоненциальный рост тока.
• В области обратных напряжений — ток мал и почти не зависит от напряжения до момента пробоя.
• При превышении определённого обратного напряжения (напряжения пробоя) происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к разрушению диода (если не ограничить ток).

Классификация

Полупроводниковые диоды классифицируются по различным признакам: по материалу, по конструкции, по функциональному назначению.

По материалу

• Кремниевые (Si): наиболее распространённые. Обладают малым обратным током, высокой рабочей температурой (до 150–200 °C), но большим прямым напряжением.
• Германиевые (Ge): имеют меньшее прямое напряжение, но значительно больший обратный ток и низкую предельную температуру (до 70–85 °C). В настоящее время используются редко, в основном в низковольтных схемах.
• Арсенид-галлиевые (GaAs): применяются в высокочастотной и СВЧ-технике благодаря высокой подвижности электронов.

По конструкции

• Плоскостные: p-n-переход образован в объёме полупроводниковой пластины. Обладают большой площадью перехода, что позволяет пропускать большие токи. Используются в выпрямителях.
• Точечные: p-n-переход создаётся в месте контакта металлической иглы с полупроводниковой пластиной. Имеют малую ёмкость перехода, что позволяет работать на очень высоких частотах (до десятков ГГц). Используются в детекторах и смесителях.
• Микрополосковые и планарные: изготавливаются методами интегральной технологии, используются в составе микросхем.

По функциональному назначению

• Выпрямительные диоды: предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Рассчитаны на большие токи (от долей ампера до тысяч ампер) и высокие обратные напряжения (до нескольких киловольт).
• Импульсные диоды: имеют малую длительность процессов включения и выключения, предназначены для работы в импульсных схемах (логические схемы, формирователи импульсов).
• Высокочастотные и СВЧ-диоды: оптимизированы для работы на частотах от сотен мегагерц до сотен гигагерц. Включают в себя точечные диоды, диоды Шоттки, варакторы.
• Стабилитроны (опорные диоды): работают в режиме электрического пробоя p-n-перехода. Используются для стабилизации напряжения. Напряжение стабилизации может быть от единиц до сотен вольт.
• Варикапы (варикапы): работают как конденсатор переменной ёмкости, управляемый напряжением. Ёмкость их p-n-перехода изменяется при изменении обратного напряжения. Используются в схемах настройки частоты (генераторы, фильтры).
• Туннельные диоды: имеют очень тонкий p-n-переход, в котором возможен туннельный эффект. Обладают участком отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ, что позволяет использовать их в генераторах и усилителях СВЧ-диапазона.
• Обращённые диоды: разновидность туннельных диодов, работающих при малых напряжениях. Используются в детекторах слабых сигналов.
• Диоды Шоттки: в основе лежит контакт металл-полупроводник, а не p-n-переход. Обладают очень малым прямым напряжением (0,2–0,4 В) и высокой скоростью переключения. Широко применяются в импульсных источниках питания и высокочастотной технике.
• Фотодиоды: преобразуют световое излучение в электрический ток. Используются в оптоэлектронике, датчиках, системах связи.
• Светодиоды (LED): излучают свет при прохождении прямого тока. Изготавливаются из прямозонных полупроводников (например, GaAs, GaN). Широко применяются в освещении, индикации, дисплеях.
• Лазерные диоды: генерируют когерентное оптическое излучение. Используются в лазерных принтерах, считывателях штрих-кодов, оптоволоконной связи.

Основные параметры

При выборе диода для конкретной схемы учитываются следующие ключевые параметры:

• Максимальное постоянное обратное напряжение (Uобр.макс): наибольшее обратное напряжение, которое диод может выдерживать без пробоя.
• Максимальный прямой ток (Iпр.макс): наибольший средний или импульсный прямой ток, который диод может пропускать без разрушения.
• Прямое падение напряжения (Uпр): напряжение на диоде при протекании номинального прямого тока.
• Обратный ток (Iобр): ток, протекающий через диод при приложении обратного напряжения (обычно при комнатной температуре).
• Время восстановления обратного сопротивления (tвос): время, необходимое для переключения диода из проводящего состояния в непроводящее. Важно для импульсных и высокочастотных схем.
• Ёмкость перехода (Cд): ёмкость p-n-перехода, влияющая на частотные свойства диода.
• Максимальная рассеиваемая мощность (Pмакс): мощность, которую диод может рассеивать без перегрева.

Применение

Полупроводниковые диоды являются одними из самых распространённых электронных компонентов. Их применение охватывает практически все области электроники:

• Выпрямление переменного тока: в блоках питания, зарядных устройствах, преобразователях напряжения.
• Детектирование сигналов: в радиоприёмниках, телевизорах, измерительной технике.
• Защита от перенапряжений: в схемах защиты от обратной полярности, от выбросов напряжения (например, супрессоры, TVS-диоды).
• Стабилизация напряжения: в источниках опорного напряжения, параметрических стабилизаторах.
• Управление частотой (варикапы): в генераторах, синтезаторах частоты, фильтрах.
• Оптоэлектроника: светодиоды (индикация, освещение, дисплеи), фотодиоды (датчики, приёмники), лазерные диоды (связь, запись).
• Логические схемы: в ранних компьютерах (диодно-транзисторная логика).
• СВЧ-техника: в смесителях, детекторах, модуляторах, генераторах.

Интересные факты

• Первый в мире полупроводниковый диод (кристаллический детектор) был запатентован в 1906 году Гринлифом Пикардом (США).
• Термин «диод» происходит от греческих слов «ди» (два) и «одос» (путь), что указывает на два вывода компонента.
• Кремниевые диоды обладают значительно меньшим обратным током, чем германиевые, что делает их более предпочтительными для большинства применений.
• Диоды Шоттки, благодаря отсутствию инжекции неосновных носителей, переключаются практически мгновенно, что позволяет им работать на частотах до сотен гигагерц.
• Светодиоды на основе нитрида галлия (GaN) позволили создать эффективные источники белого света, что привело к революции в освещении.

Источники

1. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. — М.: Высшая школа, 1987.
2. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — М.: Энергия, 1977.
3. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984.
4. ГОСТ 15133-77. Диоды полупроводниковые. Термины и определения.
5. Миллер Р. Л. Полупроводниковые диоды. — М.: Советское радио, 1965.