Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал о динамических характеристиках полупроводниковых диодов. Изменяя физические характеристики p-n-структур (толщина и площадь p-n-перехода, концентрация акцепторных и донорных примесей, материал полупроводника и т.д.) изменяют электрические параметры диодов. Полученные в ходе этих изменений полупроводниковые приборы носят общее наименование диодов, но в зависимости от полученных характеристик имеют специфическое название, например, стабилитрон, варикап, импульсный диод и так далее. В данной статье рассмотрим классификацию и типы полупроводниковых диодов, а также их основные параметры.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Классификация и обозначение полупроводниковых диодов

Обозначение отечественных полупроводниковых диодов представляет собой буквенно-цифровой код, состоящий в основном из пяти элементов.

Условные обозначения некоторых типов полупроводниковых диодов.

Первый элемент – буква или цифра (реже) обозначает материал полупроводника, из которого изготовлен диод. В качестве таких элементов используют:

Г или 1 – германий или его соединения;

К или 2 – кремний или его соединения;

А или 3 – соединения галлия (например, арсенид галлия GaAs);

И или 4 – соединения индия (например, фосфид индия InP).

Второй элемент – буква, обозначающая подкласс полупроводникового диода:

Д – диод выпрямительный или импульсный;

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

В – варикапы;

И – туннельные диоды;

А – сверхвысокочастотные диоды;

С – стабилитрон;

Г – генераторы шума;

Л – излучающие оптоэлектронные приборы;

О – оптопара.

Третий элемент – цифра, обозначающая основные функциональные возможности прибора. В зависимости от подкласса прибора данный элемент (цифра) обозначает различную характеристику.

Для подкласса выпрямительных или импульсных диодов Д:

1 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

2 — выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока более 0,3 А, но не более 10 А;

4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления выше 500 нс;

5 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления более 150 нс, но не выше 500 нс;

6 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления более 30 нс, но не выше 150 нс;

7 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления более 5 нс, но не выше 30 нс;

8 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления более 1 нс, но не выше 5 нс;

9 – импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда меньше 1 нс.

Для подкласса выпрямительных столбов и блоков Ц:

1 – для столбов с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

2 – для столбов с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10 А;

3 – для блоков с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

4 – для блоков с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10 А.

Для подкласса варикапов В;

1 – подстроечные варикапы;

2 – умножительные варикапы.

Для подкласса туннельных диодов И:

1 – усилительные туннельные диоды;

2 – генераторные туннельные диоды;

3 – переключательные туннельные диоды;

4 – обращенные диоды.

Для подклассов сверхвысокочастоных диодов А:

1 – смесительные диоды;

2 – детекторные диоды;

3 – усилительные диоды;

4 – параметрические диоды;

5 – переключательные или ограничительные диоды;

6 – умножительные и настроечные диоды;

7 – генераторные диоды;

8 – импульсные диоды.

Для подкласса стабилитронов С:

1 – стабилитрон мощностью до 0,3 Вт и напряжением стабилизации до 10 В;

2 – стабилитрон мощностью до 0,3 Вт и напряжением стабилизации от 10 до 100 В;

3 – стабилитрон мощностью до 0,3 Вт и напряжением стабилизации более 100 В;

4 – стабилитрон мощностью от 0,3 Вт до 5 Вт и напряжением стабилизации до 10 В;

5 – стабилитрон мощностью от 0,3 Вт до 5 Вт и напряжением стабилизации от 10 до 100 В;

6 – стабилитрон мощностью от 0,3 Вт до 5 Вт и напряжением стабилизации более 100 В;

7 – стабилитрон мощностью от 5 Вт до 10 Вт и напряжением стабилизации до 10 В;

8 – стабилитрон мощностью от 5 Вт до 10 Вт и напряжением стабилизации от 10 до 100 В;

9 – стабилитрон мощностью от 5 Вт до 10 Вт и напряжением стабилизации более 100 В;

Для подкласса генераторов шума Г:

1 – низкочастотные генераторы шума;

2 – высокочастотные генераторы шума.

Для подкласса излучающих оптоэлектронных приборов Л:

1 – инфракрасный излучающий диод;

2 – инфракрасный излучающий модуль;

3 – светоизлучающий диод;

4 – знаковый индикатор;

5 – знаковое табло;

6 – шкала;

7 – экран;

Для подкласса оптопар О;

Р – резисторная оптопара;

Д – диодная оптопара;

Т – транзисторная оптопара.

Четвёртый элемент – двух или трёхзначное число обозначающее порядковый номер разработки.

Пятый элемент – буква, обозначающая разброс параметров приборов, изготовленных по единой технологии.

Кроме данных пяти элементов могут быть присвоены дополнительные параметры:

— цифры от 1 до 9, для обозначения модификаций прибора, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров;

— буква С для обозначения сборок – наборов однотипных приборов, не соединённых электрически или соединённые однотипными выводами.

Рассмотрим основные типы полупроводниковых приборов, принцип их действия, основные параметры и характеристики.

Выпрямительные диоды

Несимметричность вольт-амперной характеристики p-n-перехода используют для выпрямления переменного электрического тока низкой частоты (до 100 кГц). Диоды, предназначенные для таких целей, называются выпрямительными диодами (Rectifier Diodes) и являются наиболее распространёнными. В диодах данного типа p-n-переход имеет большую площадь для обеспечения протекания токов требуемой величины.

Ниже перечислены основные параметры выпрямительных диодов.

Среднее прямое напряжение U_пр.ср. (V_F) – среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_обр.ср (I_R) – средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max (U_RRM) – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надёжно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп.ср.max} (I_F(AV)) – средний за период ток через диод, при котором обеспечивается его надёжная и длительная работа.

Максимальная частота f_max (F_t) – наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

Высокочастотные и импульсные диоды

Высокочастотные (High-frequency diodes) и импульсные (Fast Switching Diodes) диоды объединяют целую группу полупроводниковых диодов, предназначенных для обработки высокочастотных сигналов, например, детекторные диоды, смесительные диоды, модуляторные диоды. Основные параметры таких диодов представлены ниже.

Максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max (U_RRM) – постоянное обратное напряжение, превышение которого резко сокращает долговечность диода или приводит к его немедленному повреждению.

Постоянное прямое напряжение U_пр (V_F) – падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока I_пр (I_F) нормированного на определённом уровне.

Постоянный обратный ток I_обр. (I_R) – ток через диод при постоянном обратном напряжении на нем; нормируется, как правило, при максимальном обратном напряжении U_обр.max (U_RRM).

Ёмкость диода С_Д (C_T) – ёмкость между выводами полупроводникового диода при заданном напряжении. При росте обратного напряжения ёмкость диода С_Д уменьшается.

Время восстановления обратного сопротивления t_вост. (t_rr) – период времени от момента переключения до момента, когда обратный ток уменьшится до заданного уровня отсчёта.

Варикапы

Полупроводниковые диоды, предназначенные для применения в качестве элемента ёмкость, которого зависит от приложенного к нему обратного напряжения называются варикапами (variable capacitance diodes). Изменение ёмкости варикапа под действием обратного напряжения описывается следующим выражением

где C_U – ёмкость варикапа,

С₀ – емкость варикапа при нулевом обратном напряжении,

φ_К – контактная разность потенциалов,

n – коэффициент, зависящий от типа варикапа.

К основным характеристикам варикапа относятся следующие параметры.

Коэффициент перекрытия по ёмкости k_C (C_d(U₀)/C_d(U)) – отношение ёмкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения.

Добротность варикапа Q – отношение реактивного сопротивления на заданной частоте сигнала к сопротивлению потерь при заданной ёмкости или обратном напряжении.

Обратный ток варикапа I_обр. (I_R) – постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max (U_RRM) – постоянное обратное напряжение, превышение которого резко сокращает долговечность диода или приводит к его немедленному повреждению.

Туннельный диоды

В отличии от обычных диодов туннельные диоды проводят ток не только в прямом, но и в обратном направлении. Кроме того, на прямой ветви вольт-амперной характеристики имеется падающий участок. На данном участке дифференциальное сопротивление отрицательно, из-за того, что приращение напряжения вызывает уменьшение тока через диод.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода.

Аномальный участок характеристики связан с тем, что в сильно легированных p-n-структурах возникает туннельный эффект. Поэтому полупроводниковые диоды с такой характеристикой называют туннельными (Tunnel Diode). Данное свойство позволяет применять туннельный диод в усилителях и генераторах, а также импульсных устройствах.

Дифференциальное сопротивление туннельного диода остаётся отрицательным до некоторого значения частоты переменного тока, которое воздействует на диод. Значение данной частоты можно определит по формуле

где R_диф – дифференциальное сопротивление диода,

R_П – общее сопротивление диода (кристалла, контактов и выводов),

С_Д – общая ёмкость диода.

Основные параметры туннельного диода представлены ниже.

Прямой ток в точке максимума ВАХ I_П (I_p) – ток в точке максимума воль-амперной характеристики, при котором dI/dU = 0.

Прямой ток в точке минимума ВАХ I_В (I_v) – ток в точке минимума воль-амперной характеристики, при котором dI/dU = 0.

Напряжение пика U_П (U_p) – прямое напряжение на диоде, соответствующее току пика.

Напряжение впадины U_B (U_v) – прямое напряжение на диоде, соответствующее току впадины.

Напряжение раствора U_Р (U_Fp) – прямое напряжение, больше напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.

Индуктивность диода L_Д (L_S) – полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях.

Ёмкость туннельного диода C_Д.

Дифференциальное сопротивление диода R_диф (R_S) – величина равная отношению приращения напряжения к приращению тока.

Резонансная частота туннельного диода f₀ (F_OSC) – расчётная частота, при которой общее реактивное сопротивление p-n-перехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в нуль.

Предельная резистивная частота f_R (f_XO) – расчётная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящая из p-n-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль.

Шумовая постоянная туннельного диода К_ш – величина, определяющая коэффициент шума диода.

Сопротивление потерь туннельного диода R_п – суммарное сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов.

Стабилитроны

Диоды предназначенные для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, называются стабилитронами (zener diodes). Особенностью стабилитронов является то, что рабочим для него является участок вольт-амперной характеристики в области обратный напряжений.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона.

Стабилитрон характеризуется следующими параметрами.

Напряжение стабилизации U_CT (V_Z) – напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации).

Минимальный ток стабилизации I_ст.min (I_{Z min}) – наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив.

Максимально допустимый ток стабилизации I_ст.max (I_{Z max}) – наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитрона не выходит за допустимые пределы.

Дифференциальное сопротивление R_диф (Z_ZT) – отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации. R_диф = ΔU_CT/ΔI_CT.