Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, называемыми анодом и катодом. Именно p-n-переход является основой любого полупроводникового диода и определяет его свойства, характеристики и параметры. Корпус диода, в котором помещен кристалл полупроводника с p-n-переходом, а также другие конструктивные элементы для крепления кристалла в корпусе обеспечивают эксплуатационные характеристики диода: устойчивость при воздействии температуры, влаги, ударных и вибрационных нагрузок и др.
Диоды по конструктивно-технологическому принципу подразделяют на плоскостные и точечные. По назначению полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, импульсные, стабилитроны, варикапы, фото- и светодиоды, смесительные, детекторные и др.
Обозначение диодов, как и других полупроводниковых приборов, состоит из шести элементов. Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный материал полупроводника: 1 или Г-германий, 2 или К - кремний, 3 или А - арсенид галлия; второй элемент (буква) характеризует подкласс или группу диодов: Д - выпрямительные, универсальные и импульсные; А - сверхвысокочастотные; С - стабилитроны; В - варикапы; И - туннельные; Ф - фотодиоды; Л - светодиоды; Ц - выпрямительные столбы и блоки; третий элемент (цифра), как правило, обозначает мощность или частотный диапазон прибора; четвертый и пятый элементы (число) указывает на порядковый номер разработки (в стабилитронах – напряжение стабилизации); шестой элемент – буква русского алфавита А, Б, В и т.д. - указывает на разновидность диода данного типа по параметрам.

Выпрямительные диоды

Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Кроме того, выпрямительные диоды широко используют в схемах управления и коммутации, для ограничения паразитных выбросов напряжений в цепях с индуктивными элементами, в качестве элементов развязки в электрических цепях и др.
В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяют на две группы: германиевые и кремниевые. Последние получили наибольшее распространение, поскольку имеют во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми диодами. Германиевые диоды целесообразно применять при низких напряжениях, поскольку при одинаковых токах падение напряжения на германиевом диоде, смещенном в прямом направлении, меньше, чем на кремниевом диоде.
Выпрямительные диоды подразделяют на диоды малой мощности (Iпр.ср=0.3 A), средней мощности (0.3 A < Iпр.ср < 10 A) и большей мощности (Iпр.ср > 10 A). Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми вентилями и обозначают буквой В.
Основой выпрямительного диода является полупроводниковый монокристалл, в котором методом сплавления или диффузии сформирован p-n-переход.
Слаболегированная, т.е. имеющая низкую концентрацию примесных атомов, область диода обычно имеет электронную электропроводность (n-типа) и называется базой. Толщина базы значительно больше толщины граничащей с ней высоколегированной области с электропроводностью p-типа, которую называют эмиттером. Монокристалл с p-n-переходом помещают в корпус с двумя внешними выводами от эмиттера и базы (названными соответственно анодом и катодом). Это обеспечивает защиту p-n-перехода от атмосферных воздействий. Условное графическое обозначение (УГО), вольтамперные характеристики диода малой мощности при различных температурах показаны на рис. 2.5.

Основными параметрами выпрямительных диодов, характеризующими их работу в выпрямительных устройствах, являются:

- Uпр – постоянное прямое напряжение на диоде при заданном прямом токе Iпр;
- Iобр - значение обратного тока при заданном обратном напряжении Uобр;
- Iпр.ср - среднее за период значение выпрямленного тока;
- fмакс - предельная частота диапазона частот, в пределах которого параметры диода сохраняют заданные значения.

Важное значения имеют также параметры предельного электрического режима диода, а именно:

- Uобрмакс - максимально допустимое постоянное обратное напряжение, которое длительно выдерживает диод без нарушения нормальной работы;
- Iпр макс - максимально допустимый прямой постоянный ток диода.

В ряде практических случаев применяют групповое включение диодов. Так, отсутствие высоковольтного диода может быть восполнено последовательным включением нескольких низковольтных приборов. Для устранения неравномерности распределения обратного напряжения между последовательно соединенными диодами последние шунтируют резисторами, обеспечивающими устойчивую равномерность распределения обратного напряжения, как во времени, так и при воздействии температуры.
Если прямой ток в электрической цепи превышает допустимый для одного диода, то рекомендуется параллельное включение диодов. Однако вследствие неидентичности прямых ветвей вольтамперных характеристик выпрямительных диодов даже одного типа, проходящий через одну из параллельных ветвей ток может значительно превышать токи, проходящие в других ветвях параллельного соединения диодов. Поэтому параллельное соединение диодов допустимо только в том случае, если в каждую ветвь последовательно с диодом включено дополнительное сопротивление Rд, составляющее единицы или доли Ом.
В настоящее время серийно выпускают выпрямительные столбы или блоки, содержащие в одном корпусе совокупности диодов или полные схемы выпрямителей.

Стабилитроны

Стабилитроны - полупроводниковый диод, на вольтамперной характеристике которого имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока и которые предназначены для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке. Вольтамперная характеристика и условное графическое обозначение показаны на рис.2.6.

Как отмечалось ранее, при превышении обратного максимального напряжения происходит лавинный пробой p-n-перехода. При этом наблюдается резкое возрастание обратного тока при почти неизменном уровне обратного напряжения. Это явление используется в стабилитронах, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное. Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст max, то состояние электрического пробоя не приводит к выходу из строя диода.
В качестве полупроводникового материала при производстве стабилитронов используют кремний, что обусловлено незначительным обратным током в кремниевых диодах. Это исключает возможность их разогрева и теплового пробоя p-n-переходов.
Стабилитроны характеризуются следующими основными параметрами:
Uст - напряжением стабилизации при прохождении заданного тока стабилизации;
ΔUст - допуск ( изменение напряжения при изменении тока от минимального до максимального);
Iст.ном – номинальный ток стабилизации.
Кроме Iст.ном указывают также минимальное (Iст.мин) и максимальное (Iст.макс) значения постоянных токов на участке стабилизации, при которых обеспечивается заданная точность.
Превышение тока Iст.макс приводит к тепловому пробою p-n-перехода. Напряжение стабилизации современных стабилитронов лежит в пределах 1-1000 В, а значения минимального и максимального токов стабилизации соответственно в пределах Iст.мин = 1...10 мА, Iст.макс = 50...2000 мА;
Стабилизацию низковольтного напряжения в пределах 0,3...2 В можно получить при использовании прямой ветви вольтамперной характеристики кремниевых диодов, называемых стабисторами.
На рис. 2.9,б приведена схема простейшего стабилизатора напряжения параметрического типа на одном стабилитроне. Если входное напряжение Uвх стабилизатора увеличивается, то это приводит к увеличению тока через стабилитрон и резистор Rб (Rн=const). Избыток входного напряжения выделяется на Rб, а напряжение Uвых на сопротивлении нагрузки Rн остается почти неизменным. При изменении сопротивления Rн и неизменном входном напряжении ток, проходящий через сопротивление Rб, остается постоянным, но меняется распределение токов между стабилитроном и нагрузкой, а напряжение Uвых по-прежнему сохраняется неизменным.

Туннельные диоды

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод, основанный на туннельном эффекте, при котором прямая ветвь вольтамперной характеристики имеет падающий участок с отрицательным сопротивлением (рис. 2.7). Благодаря этому свойству туннельный диод может быть использован для усиления и генерирования электрических колебаний.

Для получения туннельного эффекта необходимо, чтобы энергетические диаграммы полупроводников р- и п-типа сдвигались по вертикали относительно друг друга в слое р-п -перехода (см. рис. 2.8).

При определенном начальном сдвиге энергетических диаграмм р- и п-областей без подачи внешнего напряжения встречные потоки электронов из обеих областей уравновешивают друг друга. При небольшом прямом напряжении энергетическая диаграмма р-области опускается ниже, часть валентных электронов р-области оказывается против запрещенной зоны п-области и не может в нее перейти. Поэтому равновесие нарушается, больше электронов переходит из п-области в р-область, появляется туннельный прямой ток, который при увеличении Uпр до некоторого значения растет (участок вольтамперной характеристики 0 - 1). В точке 1 ток достигает максимума и называется пиковым током туннельного диода Iп. С дальнейшим увеличением Uпр и сдвигом вниз диаграммы р-области туннельный ток уменьшается (участок 1 - 2), так как все меньше электронов зоны проводимости п-области находится против валентной зоны р-области и все больше этих электронов оказывается против запрещенной зоны р-области. В точке 2 ток достигает минимума и называется током впадины Iв. Падающий участок 1 -2 характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением rдиф = ΔUпр/ ΔIпр< 0, означающим, что увеличению прямого напряжения соответствует уменьшение прямого тока.
В точке 2 туннельный эффект исчезает, так как запрещенные зоны обеих областей располагаются на одном уровне и сливаются в одну сквозную зону. Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к росту прямого тока за счет диффузии основных носителей заряда, преодолевающих снижающийся потенциальный барьер, как в обычном диоде (участок 2-3).
Основными параметрами туннельных диодов являются:

· Iп - пиковый ток;

- Uп - напряжение пика, соответствующее пиковому току;
- Iв - ток впадины и соответствующее ему напряжение впадины Uв;
- Uрр - напряжение раствора ( прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому на второй восходящей ветви характеристики)

· Сд - емкость туннельного диода.

Предельными параметрами являются:

· Iпрмакс - максимально допустимый постоянный прямой ток на второй восходящей ветви;

- Iобрмакс - максимально допустимый постоянный обратный ток
- Uпрмакс - максимальное постоянное прямое напряжение.

Туннельные диоды изготовляются из германия или арсенида галлия. Они могут использоваться как переключающие в цепях сверхвысокого быстродействия, а также для усиления и генерирования СВЧ-колебаний, так как их инерционность очень мала из-за отсутствия инжекции носителей заряда при туннельном эффекте.

Варикапы

Варикап - полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения. Он предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Условное графическое обозначение варикапа приведено на рис.2.9,6.
При рассмотрении свойств р-п перехода говорилось, что его барьерная емкость уменьшается с увеличением обратного напряжения (рис.2.9,а). Поэтому варикап работает при обратном напряжении на р-п переходе. Варикапы изготовляются на основе кремния и используются в электронных схемах в качестве переменной емкости. Например, для автоматической подстройки частоты, частотной модуляции и для других целей.

Основными параметрами варикапов являются:
Сн - номинальная емкость между выводами при заданном обратном напряжении;
Q – добротность(отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданном значении С или Uобр;
Uобр.макс - максимально допустимое обратное напряжение и максимально допустимая рассеиваемая мощность.