2.2.2. Кусочно-линейная модель диода
Данная модель основана на конечных значениях дифференциальных сопротивлений прямой и обратной ветвей ВАХ диода. На рис.2.8. показано графическое определение параметров кусочно-линейной модели для заданных точек (А1,А2) прямой и обратной ветвей.
Рис. 2.8
На прямой ветви через т.А1 проводим касательную к ВАХ до пересечения с осью напряжений. Точка пересечения определяет напряжение U0. дифференциальное сопротивление диода в точке А1 определяется как
Для обратной ветви через заданную точку А2 проводят касательную к ветви до пересечения с осью обратных токов. Точка пересечения дает значение обратного тока I0, дифференциальное сопротивление обратной ветви, определенное в точке А2, равно
Эквивалентные схемы такой модели для прямой и обратной ветви ВАХ показаны на рис. 2.9 а, б соответственно.
Рис. 2.9
При этом для прямой ветви  , а для обратной 
Применение модели для простейшей схемы диода с резистором в прямом режиме показано на рис.2.10
Рис. 2.10
По второму закону Кирхгофа имеем
откуда
Аналогичные выкладки можно провести и для обратной ветви ВАХ.
2.2.3. Полная схема замещения диода
Для оценки частотных свойств диода следуeт учитывать общую емкость диода СД, являющуюся суммой барьерной и диффузионной емкостей, а также сопротивления контактов. На рис. 2.11 приведена такая модель.
Рис. 2.11
Здесь RД – нелинейное сопротивление перехода, Сбар – и Сдиф - нелинейные барьерная и диффузионная емкости перехода, R – сопротивления контактов. Наличие сопротивлений контактов сказывается на виде ВАХ в области прямых напряжений: характеристика располагается ниже прямой ветви ВАХ идеального p-n-перехода.
2.2.4. Полиномиальная аппроксимация участка ВАХ диода
Следует отметить, что полупроводниковая технология в отличие от электровакуумной позволяет разрабатывать большое количество типов диодов с различными ВАХ. В ряде случаев для описания ВАХ приходится использовать полиномиальную аппроксимацию рабочих участков ВАХ. Так для диодов, работающих в схемах преобразования сигналов, таких как умножение частоты, модуляция, перемножение сигналов и др., необходим квадратичный участок ВАХ, а в схемах автогенераторов с использованием диодов с отрицательным дифференциальным сопротивлением – кубичный. В общем виде полином, описывающий участок ВАХ, записывают для небольших приращений относительно заданной точки на ВАХ, определяемой постоянным напряжением (смещением) на переходе:
На рис. 2.12 показаны примеры ВАХ, где жирно выделены квадратичный (а) и кубичный участки (б) в окрестности т. А.
Рис. 2.12
Использовать аппроксимационный полином можно и для больших диапазонов изменения напряжений и токов, при этом степень полинома для аппроксимации ВАХ естественно будет больше.
2.3.1. Виды и обозначение диодов
В зависимости от свойств и поведения ВАХ различают следующие виды диодов.
1) Выпрямительные диоды различных классов, отличающиеся напряжением, временем переключения, рабочей полосой частот. ВАХ как у обычного p-n-перехода. Обозначение стандартное (см. таблицу 2.1). В качестве выпрямительных используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80оС, кремниевые до 120-150оС, арсенид-галлиевые до 150оС.
Основные параметры выпрямительных диодов:
Uобр,макс –максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности;
Iвып,ср - средний выпрямленный ток;
Iпр,п – пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса;
Uпр,ср – среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока;
Pср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;
rдиф – дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.
Особо отметим класс импульсных диодов, имеющих очень малую длительность переходных процессов из-за малых емкостей переходов (доли пикофарад); уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них меньше, чем у низкочастотных выпрямительных диодов. Их используют в импульсных схемах.
К параметрам, перечисленным выше, для импульсных диодов следует отнести общую емкость СД, максимальные импульсные прямые и обратные напряжения и токи, время установления прямого напряжения от момента подачи импульса прямого тока до достижения им заданного значения прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления диода с момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения (см. рис. 2.13).
Рис. 2.13
После изменения полярности напряжения в течение времени t1 обратный ток меняется мало, он ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных в базе диода, рассасывается. Далее ток уменьшается до своего статического значения при полном рассасывании заряда в базе.
2) Стабилитроны – диоды, предназначенные для работы в режиме электрического пробоя. Условное обозначение отличается от стандартного (см. таблицу 2.1). В этом режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение на нем меняется мало. В низковольтных (до 5,7В) стабилитронах используется туннельный пробой, а в высоковольтных – лавинный пробой. В них более высокоомная база.
Основные параметры:
Uст – напряжение стабилизации при заданном токе в режиме пробоя;
Iст,мин и Iст,макс – минимально допустимый и максимально допустимый токи стабилизации;
rст – дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке пробоя;
 - температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации при заданном токе стабилизации. Туннельный пробой характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный - положительным.
Для стабилизации малых напряжений (0,3…1,9В) используют диоды, называемые стабисторами, которые работают в прямом режиме, имеют специальную форму прямой ветви. Обозначение такое же, как у выпрямительных диодов.
3) Диод Шотки – разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода части электронов из полупроводника n -типа в металл и уменьшения концентрации электронов в полупроводниковой части контакта. Эта область обладает повышенным сопротивлением. При подключении внешнего источника плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, потенциальный барьер понизится и через переход пойдет прямой ток.
В диоде Шотки отсутствуют явления накопления и рассасывания основных носителей, поэтому они очень быстродействующие и могут работать на частотах до десятков ГГц. Прямое напряжение составляет ~0,5 В, прямой допустимый ток может достигать сотни ампер, а обратное напряжение – сотен вольт. ВАХ диода Шотки напоминает характеристику обычных p-n-переходов, отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи достаточно малы – 10-10…10-9 А.
Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины из низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.
Диоды Шотки применяют в переключательных схемах, а также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах, из-за соответствующей вида его ВАХ.
4) Варикап – полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве емкости, величина которой зависит от приложенного к нему напряжения. Основная его характеристика – вольт-фарадная С( U ) (см.таблицу 2.1).
Варикап работает как правило при обратном напряжении, при изменении которого изменяется в широких пределах барьерная емкость диода, причем
где С(0) – емкость при нулевом напряжении на диоде;  - контактный потенциал; n =2 для резких и n =3 для плавных p-n-переходов.
Основные параметры варикапа:
С – емкость, измеренная между выводами при заданном обратном напряжении;
 - коэффициент перекрытия по емкости;
rП – суммарное активное сопротивление диода;
 - добротность, определяемая при заданном значении емкости.
5) Туннельный диод – полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ, обусловленный туннельным эффектом. Обозначение и ВАХ даны в таблице 2.1. Падающий участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.
В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяются на усилительные, генераторные и переключательные.
Основные параметры:
IП и UП – пиковые ток и напряжение начала падающего участка;
IВ и UВ – ток и напряжение впадины (конца падающего участка);
 - отношение тока впадины к пиковому току;
UР – диапазон напряжений падающего участка ( раствор).
LД – полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях (см. рис.2.14, представляющий схему замещения диода на падающем участке ВАХ для малых изменений тока и напряжения на диоде).
Рис. 2.14
f0 – резонансная частота, при которой общее реактивное сопротивление p-n-перехода и индуктивности корпуса обращается в нуль;
fR - предельная резистивная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивлений потерь, обращается в нуль;
КШ – шумовая постоянная туннельного диода, определяющая коэффициент шума диода;
rП – сопротивление потерь, включающее сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов.
Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде. Его рассматривают иногда как вариант туннельного диода. Здесь участок с отрицательным сопротивлением выражен более слабо, чем у туннельного, а иногда даже отсутствует. Обозначение и ВАХ даны в таблице. Обратная ветвь обращенного диода используется как прямая ветвь обычного диода.
Таблица 2.1
Тип диода
|
Условное обозначение
|
Характеристика
|
Выпрямительный
|
|
|
Диод Шотки
|
|
|
Стабилитрон
|
|
|
Стабистор
|
|
|
Варикап
|
|
|
Туннельный диод
|
|
|
Обращенный диод
|
|
|
|
2.3.2. Система обозначений современных полупроводниковых диодов
Принятая система обозначений полупроводниковых приборов отражает назначение, физические свойства, материал полупроводника, конструктивно-технологические признаки и др.
В основе обозначений лежит буквенно-цифровой код, состоящий из пяти позиций. Ниже в таблице 2.2 представлены обозначения всех пяти позиций.
Таблица 2.2
Позиция
|
Обозначение
|
1
|
Буква или цифра исходного полупроводникового материала:
Г или 1 – германий или его соединения;
К или 2 – кремний или его соединения;
А или 3 – соединения галлия;
И или 4 – соединения индия
|
2
|
Буква - подкласс приборов:
Д – диоды выпрямительные и импульсные;
Ц – выпрямительные столбы и блоки;
В – варикапы;
И – туннельные диоды;
А – сверхвысокочастотные диоды;
С – стабилитроны;
Г – генераторы шума;
Л – излучающие оптоэлектронные приборы;
О – оптопары.
|
3
|
Цифра – функциональные возможности.
Подкласс 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 не свыше 10 А;
3 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления более 500 нс;
4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 150…500 нс;
5 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 30…150 нс;
6 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 5…30 нс;
7 - импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 1…5 нс;
8 – импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее 1 нс.
Подкласс Ц:
1 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;
2 - столбы с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А;
3 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;
4 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10А.
Подкласс В:
1 – подстроечные варикапы;
2 – умножительные варикапы.
Подкласс И:
1 – усилительные туннельные диоды;
2 – генераторные туннельные диоды;
3 – переключательные туннельные диоды;
4 – обращенные диоды.
Подкласс А:
1 – смесительные диоды;
2- детекторные диоды;
3 – усилительные диоды;
4 – параметрические диоды;
5 – переключательные и ограничительные диоды;
6 – умножительные и настроечные диоды;
7 – генераторные диоды;
8- импульсные диоды.
Подкласс С:
1 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В;
2- стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10…100 В;
3 - стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации более100 В;
4 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В;
5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В;
6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В;
7 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В;
8 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В;
9 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В.
Подкласс Г:
1 – низкочастотные генераторы шума;
2 – высокочастотные генераторы шума.
|
4
|
Число – порядковый номер разработки.
Обычно используются двузначные числа от 01 до 99; если порядковый номер превышает число 99, то применяют трехзначное число от 101 до 999.
|
5
|
Буква – классификация по параметрам (квалификационная литера). Применяют буквы русского алфавита, кроме букв З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э.
|
Дополнительные символы
|
Цифры: 1…9 – для обозначения модификаций прибора, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров;
Буква С – для обозначения сборок – наборов в общем корпусе однотипных приборов, не соединенных электрически или соединенных одноименными выводами;
Цифры, написанные через дефис – для обозначения следующих модификаций конструктивного исполнения бескорпусных приборов:
-1 – с гибкими выводами без кристаллодержателя;
-2 –с гибкими выводами на кристаллодержателе;
-3 – с жесткими выводами без кристаллодержателя;
-4 – с жесткими выводами на кристаллодержателе;
-5 – с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов;
-6 – с контактными площадками на кристаллодержателе без выводов.
|
Пример: ЗИ309Ж – арсенид-галлиевый переключательный туннельный диод, номер разработки 09, группа Ж.
Для обозначений диодов, выпущенных до 1982 года, использовалась двухэлементная система: первый элемент для диодов буква Д , второй – число (или номер):
1…100 – точечные германиевые диоды,
101…200 – точечные кремниевые диоды,
201…300 – плоскостные кремниевые диоды,
301…400 – плоскостные германиевые диоды,
401…500 – смесительные СВЧ детекторы,
501…600 – умножительные диоды,
601…700 – видеодетекторы,
701…749 – параметрические германиевые диоды,
750…800 – параметрические кремниевые диоды.
|
