Назначение и классификация полупроводниковых диодов: технические характеристики

Принцип работы

Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

Фото — принцип работы

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

Фото — характеристики полупроводников

Сферы использования

Применение диода Ганна особенно актуально в конструкции:

Генератора Ганна, создающего в результате частоты 5-35 гигагерц. Это необходимо для средств обеспечивающих радиосвязь, а также установок радиолокации военного и коммерческого назначения.
Датчика, используемого жд-сфере и созданного, чтобы выявлять нарушителей. Это необходимо для обеспечения безопасности и минимизации риска крушения железнодорожного транспорта.
Генератора СВЧ формирующего частоты на уровне в несколько сотен гигаГерц.
Детектора, обеспечивающего фиксацию вибрационного уровня на расстоянии, а также вращательной скорости тахометра.
Генератора сверхвысокочастотного тока импульсного типа.
СВЧ-передатчика, маломощного, формирующего СВЧ-радиоволны.
Датчиков, самого разнообразного назначения: открытие дверей; охранные приборы, располагаемые вдоль периметра; приборы, обеспечивающие безопасность пешеходного движения; уровневые датчики; фиксаторы уровня влажности. Полупроводниковый диод Ганна пригоден для создания приборов с самыми разнообразными функциями.

Типы полупроводниковых диодов[]

Диоды: а) общее обозначение, б) симметричный, в) туннельный, г) обращённый, д) диод Шоттки; е, ж) стабилитроны; з) варикап; и) термодиод; к) выпрямительный столбик; л, м) диодные сборки; н, о) выпрямительный мост.

Под понятием полупроводникового диода собрано множество приборов с различным назначением.
Приборы с одним p—n-переходом;

универсальный;
выпрямительный диод — достаточно мощный, позволяющий получать из переменного тока постоянный для питания нагрузки;
импульсный диод;
лавинно-пролётный диод;
туннельный диод — диод с участком, обладающим отрицательным дифференциальным сопротивлением;
стабилитрон — диод работающий на напряжении электрического пробоя в обратном направлении;
варикап — диод с управляемой напряжением ёмкостью ЭДП в обратном включении;

Приборы с иными разновидностями полупроводниковых структур:

диод Ганна — полупроводниковый прибор без p—n-перехода, использующий эффект доменной неустойчивости;
диод Шоттки — прибор со структурой металл — полупроводник, с уменьшенным падением напряжения в прямом направлении;

Фотоэлектрические приборы:

фотодиод — диод, преобразующий свет в разность потенциалов;
светодиод — диод, излучающий свет.

Также, помимо прочего, к диодам относят:

динистор (диод Шокли), неуправляемый тиристор, имеющий слоистую p—n—p—n-структуру;

7.1. Диод Ганна

Диод Ганна представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя омическими контактами для внешних выводов (рис. 7.1, а). В качестве полупроводникового материала используется арсенид галлия GaAs или другой материал, в которых проявляется эффект Ганна (см. ниже) . Полупроводник имеет донорную примесь с концентрацией n =1014 ¸ 1016 1/см3. Так как полупроводники, в которых проявляется эффект Ганна, при контакте с металлами обычно образуют барьер Шоттки, то для организации нормального омического контакта формируются дополнительные слои n+ с концентрацией 1018 — 1019 1/см3 (рис. 7.1, б). Активная часть диода Ганна (n- слой) имеет длину 1¸ 100 мкм, диаметр 50¸ 250 мкм и более.

Рис. 7.1

Омические контакты с соответствующими выводами называются, как и у остальных диодов, катодом и анодом, но принципиально они не имеют особого различия.

При работе катод соединяется с отрицательным, а анод с положительным выводом источника питания. Так как основная масса зарядов — это электроны, то при наличии тока на анодном выводе выделяется тепловая энергия и поэтому вывод анода должен иметь хороший теплоотвод. По этой причине он выполняется более массивным и обычно соединяется с корпусом устройства.

Теория

Цель работы

Ознакомиться с основными фотометрическими
величинами; ознакомиться с принципом работы
фотометра; проверить
выполнение закона Ламберта для источника света

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют
собой полупроводниковые
приборы с одним электронно-дырочным переходом
(p–n-переходом).

Одним из свойств p–n-перехода является способность
изменять свое сопротивление в зависимости от
полярности
напряжения внешнего источника. Причем разница
сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока
через
p–n-переход может быть
настолько велика, что в ряде случаев, например для
силовых диодов, можно считать, что
ток протекает через диод только в одном направлении –
прямом, а в обратном направлении ток настолько мал,
что им
можно пренебречь. Прямое направление – это когда
электрическое поле внешнего источника направлено
навстречу
электрическому полю p–n-
перехода, а обратное – когда направления этих
электрических полей совпадают.
Полупроводниковые диоды, использующие вентильное
свойство p–n-перехода, называются выпрямительными
диодами и
широко используются в различных устройствах для
выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного
p–n-перехода описывается известным уравнением

где \(I_0\) – обратный ток p–n-перехода; \(q\) –
заряд электрона \(q=1,6\cdot 10^{-19}\ Кл\); \(k\) –
постоянная
Больцмана \(k = 1,38⋅10^{-23} Дж\cdot град\); \(T\) –
температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости
представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную
нелинейность, что предопределяет зависимость
сопротивления
диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое \(R_{ст}\) и
динамическое \(R_{дин}\). Статическое сопротивление
\(R_{ст}\),
например в точке А (рис. 1.1), определяется как
отношение напряжения \(U_A\) и тока \(I_A\),
соответствующих этой точке: \(R_{ст} =
\frac{U_A}{I_A} = tg{\alpha}\)

Динамическое сопротивление определяется как отношение
приращений напряжения и тока (рис. 1.1):
\(R_{дин} = \frac{\Delta U}{\Delta I}\);

Рис. 1.1

При малых значениях отклонений \(∆U\) и \(ΔI\)
можно пренебречь нелинейностью
участка АВ характеристики и считать его гипотенузой
прямоугольного треугольника
АВС, тогда \(R_{дин} = tgβ\).

Если продолжить линейный участок прямой ветви
вольт-амперной характеристики
до пересечения с осью абсцисс, то получим точку
\(U_0\) – напряжение отсечки, которое
отделяет начальный пологий участок характеристики,
где динамическое сопротивление
\(R_{дин}\) сравнительно велико от круто
изменяющегося участка, где \(R_{дин}\) мало.

При протекании через диод прямого тока
полупроводниковая структура нагревается,
и если температура превысит при этом предельно
допустимое значение, то произойдет
разрушение кристаллической решетки полупроводника и
диод выйдет из строя. Поэтому
величина прямого тока диода ограничивается предельно
допустимым значением
\(I_{пр.max}\) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном
направлении к диоду, то
сначала обратный ток будет изменяться незначительно,
а затем при определенной величине
\(U_{проб}\) начнется его быстрое увеличение (рис.
1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода.
Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в
зависимости от
концентрации примесей в полупроводнике, от ширины
p–n-перехода и температуры:

обратимый (электрический пробой);
необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора
является нерабочим и недопустимым режимом.

Рис. 1.2

Поэтому в паспортных данных диода всегда
указывается предельно допустимое
обратное напряжение \(U_{проб}\) (напряжение
лавинообразования), соответствующее началу
пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение
напряжения составляет обычно
\(0,5\ U_{проб}\) и определяет класс прибора по
напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В
обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют
для получения круто нарастающего
участка ВАХ, когда малому приращению напряжения
\(∆U\) соответствует большое изменение тока
\(ΔI\) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме,
называются
стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при
изменении обратного тока от \(i_{обр. min}\) до
\(i_{обр. max}\) напряжение на диоде остается почти
неизменным, стабильным. Поэтому для
стабилитронов рабочим является участок пробоя на
обратной ветви ВАХ, а напряжение
пробоя (напряжение стабилизации) является одним из
основных параметров.

Приложения

Разобрали радар скоростной пушки . Серый узел, прикрепленный к концу рупорной антенны медного цвета, представляет собой генератор на диоде Ганна, который генерирует микроволны.

Из-за их высокой частоты диоды Ганна в основном используются на сверхвысоких частотах. Они могут производить на этих частотах одну из самых высоких выходных мощностей среди полупроводниковых устройств. Чаще всего их используют в генераторах , но они также используются в микроволновых усилителях для усиления сигналов. Поскольку диод является однопортовым (двухполюсным) устройством, схема усилителя должна отделять исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала для предотвращения связи. Одна общая схема — это усилитель отражения, в котором для разделения сигналов используется циркулятор . Смещения тройник необходимо изолировать ток смещения от высокочастотных колебаний.

Датчики и измерительные приборы

Генераторы на диодах Ганна используются для генерации СВЧ-энергии для: бортового радара предотвращения столкновений , антиблокировочной системы тормозов , датчиков для отслеживания движения транспорта, автомобильных радарных детекторов , систем безопасности пешеходов, регистраторов пройденного расстояния, датчиков движения , замедленного движения. датчики (для обнаружения пешеходов и движения транспорта со скоростью до 85 км / ч (50 миль / ч)), контроллеры сигналов светофора, автоматические открыватели дверей, автоматические ворота для движения, оборудование для контроля пропускной способности, охранная сигнализация и оборудование для обнаружения нарушителей, датчики для предотвращение схода поездов с рельсов, дистанционные датчики вибрации, тахометры скорости вращения, мониторы влажности.

Радиолюбительское использование

Благодаря своему низковольтному режиму работы диоды Ганна могут использоваться в качестве генераторов СВЧ-частоты для очень маломощных (несколько милливатт) микроволновых приемопередатчиков, называемых Ганнплексерами . Впервые они были использованы британскими радиолюбителями в конце 1970-х годов, и многие разработки Gunnplexer были опубликованы в журналах. Обычно они состоят из волновода диаметром около 3 дюймов, в который устанавливается диод. Для управления диодом используется источник постоянного тока низкого напряжения (менее 12 В), который можно соответствующим образом модулировать . Волновод заблокирован на одном конце, образуя резонатор, а другой конец обычно питает рупорную антенну . В волновод вставляется дополнительный « смесительный диод», который часто подключается к модифицированному радиовещательному FM- приемнику, чтобы можно было слушать другие любительские станции. Ганнплексеры чаще всего используются в любительских диапазонах 10 ГГц и 24 ГГц, и иногда сигнализация безопасности 22 ГГц модифицируется, поскольку диод (ы) можно поместить в слегка расстроенный резонатор со слоями меди или алюминиевой фольги на противоположных краях для перехода к лицензированный любительский оркестр. Обычно диод смесителя, если он не поврежден, повторно используется в существующем волноводе, и эти части хорошо известны своей чрезвычайно чувствительной к статике. На большинстве коммерческих устройств эта часть защищена параллельным резистором и другими компонентами, а в некоторых атомных часах Rb используется вариант. Смесительный диод полезен для низкочастотных приложений, даже если диод Ганна ослаблен из-за использования, и некоторые радиолюбители использовали их в сочетании с внешним генератором или диодом Ганна с длиной волны n / 2 для поиска спутников и других приложений.

Радиоастрономия

Генераторы Ганна используются в качестве гетеродинов для радиоастрономических приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Диод Ганна установлен в резонаторе, настроенном так, чтобы резонировать на двойной основной частоте диода. Длина полости изменяется микрометрической регулировкой. Доступны генераторы Ганна, способные генерировать более 50 мВт в 50% диапазоне настройки (одна полоса волновода).

Частота генератора Ганна умножается на диодный умножитель частоты для приложений субмиллиметрового диапазона.

Как работает диодный мост?

На вход диодного моста подается переменный ток, полярность которого в бытовой электросети меняется с частотой 50 Гц. Диодная сборка «срезает» часть синусоиды, которая для прибора «является» обратной, и меняет ее знак на противоположный. В результате на выходе к нагрузке подается пульсирующий ток одной полярности.

Как работает диодный мост: для чайников, просто и коротко. На вход диодного моста подается переменный ток, полярность которого в бытовой электросети меняется с частотой 50 Гц. Диодная сборка «срезает» часть синусоиды, которая для прибора «является» обратной, и меняет ее знак на противоположный. В результате на выходе к нагрузке подается пульсирующий ток одной полярности.

Диоды Ганна: устройство, схема, обозначение, принцип работы, применение

Эти радиокомпоненты диодами называются только из-за конструктивного сходства с полупроводниковыми электрическими вентилями. Они так же оснащаются двумя выводами, то есть катодом и анодом, но в конструкции отсутствует p-n-переход, и выпрямляющими свойствами диоды Ганна не обладают. Их функция состоит в другом. Элементы используются для генерации сверхвысокочастотных электрических колебаний (СВЧ).

Имя собственное эти радиокомпоненты получили по фамилии первооткрывателя квантового эффекта, лежащего в основе функциональности этих генераторов СВЧ. Британский физик Джон Ганн в начале 60-х годов XX века обнаружил, что кристалл арсенида галлия начинает испускать электромагнитные волны частотой более 10 ГГц при воздействии на него электрического поля с напряжённостью, превышающей некое пороговое значение. Этот процесс вошёл в научную терминологию под названием эффекта Ганна.

Физическая основа

Справедливости ради следует заметить, что Джон Ганн, открывший свой знаменитый эффект, не объяснил его физические принципы. Он лишь адаптировал его результаты для практической электроники, разработав конструкцию своего знаменитого диода. Физические принципы генерации СВЧ-колебаний арсенидом галлия объяснил с точки зрения квантовой механики другой учёный – американец Г. Крёмер.

Эффект Ганна состоит в том, что сразу же после исчезновения первого домена в области катода образуется следующий. Как только исчезнет он, на смену ему придёт третий, потом четвёртый и так далее – до тех пор, пока не будет снято приложенное электрическое поле. Таким образом, на аноде диода Ганна возникает последовательность импульсов. Из-за того, что длительность переходных процессов составляет крайне малые величины – порядка наносекунд – частота этого импульсного сигнала измеряется в десятках гигагерц. Такие радиосигналы используются в передатчиках, приёмниках и прочем радиотехническом оборудовании, работающем в режиме СВЧ.

Единственное «слабое место» диодов Ганна заключается в их низковольтном характере эксплуатации. Напряжение, вырабатываемое этими радиокомпонентами, колеблется на уровне единиц микровольт и даже дробных долей. В связи с этим при использовании диодов Ганна в принципиальную схему вводятся усилители СВЧ-сигнала. Это усложняет конечное устройство, но на эти жертвы конструкторы всё равно идут, если к технике предъявляются повышенные требования в отношении стабильности частоты. По данному параметру диоды с эффектом Ганна – вне конкуренции. В этом с ними не могут спорить стандартные волноводные СВЧ-генераторы.

Генератор на диоде Ганна

Типовой генератор на диоде Ганна состоит из самого диода, подключённого непосредственно к резонатору, и источника питания, который выполняется регулируемым. Благодаря регулировке питающего напряжения генератор может вырабатывать сигнал в одном из следующих режимов:

доменный;
пролётный;
гашение домена;
задержка домена.

Перечисленные режимы различаются вольтамперными характеристиками, что проявляется в генерации импульсов разной формы. Это используется для выработки радиосигналов с заданными характеристиками и применяется в радиоаппаратуре специального назначения.

Производство диодов Ганна

Первым материалом для производства диодов Ганна стал упомянутый выше арсенид галлия. Позднее было обнаружено, что схожими свойствами обладает фосфид индия. В первые годы в производстве элементов использовались единые кристаллы, но с развитием молекулярно-атомных технологий диоды Ганна стали изготавливать на основе кристаллических сборок. В них центральная область выполнена из чистого однородного полупроводника, а анодная и катодная зоны, расположенные по сторонам, изготавливаются из материала с глубоким легированием. Такая структура обеспечивает более высокое входное сопротивление, вследствие чего создаются условия для стабильного образования доменов электрического поля.

Нелинейность — вольтамперная характеристика

Выпрямление переменного напряжения ( объяснение в тексте.

Нелинейность вольтамперной характеристики объясняется наличием электронного облака вблизи катода, поле которого складывается с полем, существующим между электродами. Чем больше напряжение между анодом и катодом, тем меньше отрицательный заряд электронного облака, тем больше электронов попадает на анод, тем больше и сила тока в диоде.

Вольтамперная характеристика полималонитрила, полученного при температуре 723 К.

Нелинейность вольтамперной характеристики объясняется процессом нагрева терморезистора током, проходящим через него и соответственно уменьшающим его сопротивление. Начальный участок прямолинеен, так как ток, проходящий через ОПТР, мал и недостаточен для его разогрева, и терморезистор ведет себя подобно обыкновенному омическому сопротивлению.

Нелинейность вольтамперных характеристик варисторов из карбида кремния связана с явлениями на контактах или на поверхности кристаллов, а не с изменением проводимости самого тела кристалла.

Нелинейность вольтамперной характеристики сопротивлений второй группы вызывается нагревом, обусловленным протеканием по ним тока.

Нелинейность вольтамперных характеристик полупроводниковых элементов была обнаружена Адамсом и Дейем в восьмидесятых годах прошлого столетия. В 1883 г. Фриттсом была описана конструкция селенового выпрямителя, в общих чертах напоминающая современные. В 1882 г. была опубликована работа Жемена и Маневриэ о вег. Первая двухэлектродная электронная лампа-кенотрон-была создана Флемингом в 1904 г. Она стала быстро вытеснять другие типы вентилей в приемной технике, но наряду с ней широко применялись вплоть до середины 20 — х годов нашего столетия полупроводниковые кристаллические детекторы.

Нелинейность вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов позволяет использовать их для преобразования частоты наравне с электронными лампами. Применяются как диоды, так и триоды. Диодный преобразователь по своей схеме ничем не отличается от приведенной на фиг. Преобразование частоты при помощи транзисторов осуществляется по принципу, подобному односеточному преобразованию на электронных лампах.

Нелинейность вольтамперной характеристики сопротивлений первой группы определяется самой спецификой физических процессов, вызывающих протекание тока.

Вследствие нелинейности вольтамперной характеристики величина кв весьма непостоянна. Поэтому коэффициентом выпрямления обычно не пользуются, а указывают 1пр и 10 р для определенных значений прямого и обратного напряжений или приводят характеристику диода, которая дает наиболее полное представление о его свойствах.

Сопротивления, нелинейность вольтамперных характеристик которых обусловлена иными ( не тепловыми) процессами, принято называть безынерционными или почти безынерционными.

Чем объясняется нелинейность вольтамперной характеристики варисто-ра.

В этих приборах используется нелинейность вольтамперной характеристики p — n — перехода или поверхностного потенциального барьера кристалла полупроводника. Диоды этой группы могут выполнять роль смесителей, умножителей и модуляторов.

Их действие основано на нелинейности вольтамперных характеристик р — и-переходов, и работают они в области частот до сотен МГц или в импульсном режиме до lO — 8 — Ю-9 с. Характерными для этого класса приборов являются малые величины зарядной и диффузионной емкостей, а также сопротивление базы гб.

Нелинейные искажения возникают из-за нелинейности вольтамперных характеристик усилительных элементов ( электронных ламп, транзисторов) и проявляются в искажении формы усиливаемого сигнала.

Достоинства и недостатки

У этого устройства есть свои положительные стороны и свои недостатки.

Плюсы:

Хорошо удерживает электрический ток в цепи;
Маленькая емкость барьера из металлов — полупроводников, что увеличивает долгосрочную работоспособность диода;
В отличие от других полупроводников, в диоде Шоттки наблюдается низкое падение напряжения;
В электрической цепи данный диод Шоттки быстро действует.

Большой минус в том, что бывает очень большим обратный ток. В некоторых случаях, например, превышение нужного уровня обратного тока даже на несколько ампер, электронный элемент просто ломается или выходит из строя в самый неподходящий момент вне зависимости от того, новый он или старый. Также часто можно наблюдать утечки диодов, что может привести в некоторых случаях к печальным последствиям, если относится к проверке полупроводников с пренебрежением.

Применение

Диод Ганна может быть использован для создания генератора в 10 ГГц и выше (вплоть до ТГц) диапазона частот. Резонатор, который может быть выполнен в виде волновода применяют для управления частотой.

Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом ёмкостной проводимости диода и может перестраиваться в относительно широких пределах механическими (с помощью изменения геометрических размеров резонатора) и электрическими методами.

Однако, срок службы генераторов Ганна относительно мал, что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев полупроводникового кристалла прибора выделяющейся в нём мощностью.

Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1—100 ГГц. В непрерывном режиме генерации генераторы на диодах Ганна имеют КПД около 2—4 % и обеспечивают выходную мощность от единиц мВт до единиц Вт. Но, при использовании прибора в импульсном режиме КПД увеличивается в 2—3 раза. Специальные широкополосные резонансные системы позволяют добавить в мощность полезного выходного сигнала высшие гармоники и служат для увеличения КПД. Такой режим работы генератора называется релаксационным.

Существуют несколько разных режимов использования генераторов на диоде Ганна в зависимости от питающего напряжения, температуры, характера нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости.

Наиболее часто используемым режимом является доменный режим при котором в течение большей части периода колебаний характерен режим существования домена. Доменный режим может быть реализован в трёх различных видах: пролётный, с задержкой образования доменов и с гашением доменов. Переход между этими видами происходит при изменении сопротивления нагрузки.

Для диодов Ганна был так же предложен и осуществлен режим ограничения и накопления объёмного заряда. Этот режим имеет место при больших амплитудах напряжения на диоде и на частотах, в несколько раз больших пролетной частоты, и при средних постоянных напряжениях на диоде, которые в несколько раз превышают пороговое значение. Однако, существуют определённые требования для реализации этого режима: полупроводниковый материал диода должен быть с очень однородным профилем легирования. При этом однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде.

Помимо арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP, используется на частотах до 170 ГГц) при изготовлении диодов используется эпитаксиальное наращивание, для изготовления диодов Ганна также применяется нитрид галлия (GaN). В диодах, изготовленных из этого материала была достигнута наиболее высокая частота колебаний — 3 ТГц.

Диод Ганна имеет низкий уровень амплитудного шума и низкое рабочее напряжение питания (от единиц до десятков В).

При использовании диоды монтируются в резонансных камерах, выполненных на поверхности микросхем с диэлектрическими подложками в комбинации с ёмкостными и индуктивными компонентами, либо используются в виде комбинации внешних резонаторов и микросхем.

Определение типа элемента

Хорошо если размер корпуса позволяет нанести на нем хоть сколько-нибудь понятную маркировку. Но чаще всего диоды настолько малы, что их трудно маркировать даже цветом. В этом случае отличить диод от стабилитрона, например, не представляется возможным, ведь они как близнецы-братья.

В подобных ситуациях поможет лишь принципиальная схема аппарата, из которого извлечен элемент. В соответствии с ней можно определить тип компонента и его марку.

Если же отсутствует эта информация, можно попробовать поискать принципиальную схему ремонтируемого аппарата в интернете или сделать фотоснимок элемента и также обратиться в Сеть и провести поиск по изображению.

ВАХ реального полупроводникового диода

Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры,
настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с
идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

V_ϒ(гамма) — напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — V_ϒ.
Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток.
До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником.
V_ϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

I_{D_MAX} — максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока I_{D_MAX}.
Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается.
В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным.
Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

I_OP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое.
Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока I_OP.
Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА.
Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV.
Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко
понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект
нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при
прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости
от разных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость PN-перехода

Даже если на диод подать напряжение значительно выше V_ϒ, он не начнет мгновенно проводить ток.
Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время.
Это сказывается на частотных характеристиках прибора.

Выпрямительные диоды

Основное предназначение выпрямительных диодов –
преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения
данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и
управления, используют в каскадных генераторах и т.д.

В качестве основы р-n перехода используются
кристаллы кремния или германия. Кремниевые диоды применяются значительно чаще,
это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов
значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное
напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых
полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.

Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей
температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении
верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что
отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых
полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.

Мощность выпрямительных диодов определяется максимально допустимым прямым током. В
соответствии этой характеристики принята следующая классификация:

Слаботочные выпрямительные диоды, они используются в цепях с током
не более 0,3 А. Корпус таких устройств, как правило, выполнен из
пластмассы. Их отличительные особенности – малый вес и небольшие
габариты.

Рис. 7 — Выпрямительные диоды малой мощности
Диоды средней мощности могут работать с током
в диапазоне 0,3-10 А. Такие элементы, в большинстве своем,
изготавливаются корпусе из металла и снабжены жесткими выводами. На
одном один из них, а именно на катоде, имеется резьба, позволяющая
надежно зафиксировать диод на радиаторе, используемого для отвода тепла.

Рис. 8 — Выпрямительный диод средней мощности
Силовые полупроводниковые элементы, они рассчитаны на прямой ток
свыше 10 А. Производятся такие устройства в металлокерамических или
металлостеклянных корпусах штыревого или таблеточного типа (рис. 9).

Рис. 9 — Выпрямительные диоды высокой мощности

Как правильно проверить диод?

Диод имеет обратное смещение, если положительный (красный) измерительный провод подсоединен к катоду, а отрицательный (черный) измерительный провод — к аноду. Если диод с обратным смещением исправен, на мультиметре отображается OL. Диод неисправен, если показания одинаковы для обоих направлений.

Соединить черный щуп с катодом диода, соединить красный щуп с анодом диода. Если диод исправный, то мультиметр покажет падение напряжения в прямом включении (Forward Voltage Drop Vf). В зависимости от типа диода это напряжение может быть от 100 до 1000 милливольт (mV). Соединить черный щуп с анодом диода, соединить красный щуп с катодом диода. Если диод исправный, то на дисплее мультиметра не должно быть никаких значений.