Глава III

Полупроводникови диоди

Полупроводниковият диод представлява елемент с два прехода в който са използвани свойствата на един PN преход. В зависимост от конструкцията си полупроводниковите диоди се разделят главно на две групи: точкови и плоскостни. Освен това диодите се групират от гледна точка на тяхното предназначение (изправителни, детекторни, импулсни, опорни, парамтерични, обърнати, светещи); на мощността им (маломощни, средномощни, мощни); на работната им честота (нискочестотни и високочестотни); на използвания полупроводник (силициеви, германиеви, селенови, медноокисни, галиевоарсенидни) и т.н.

За свойствата и особеностите на полупроводниковите диоди се съди най-вече от тяхната волт-амперна характеристика, която изразява зависимостта на тока през диода от приложеното напрежение. Полупроводниковият диод представлява нелинейно съпротивление. Това налага да изясним подробно понятията линейно и нелинейно съпротивление.

Нелинейните съпротивления имат особено голямо значение за цялата електроника. Такива съпротивления са диодите, транзисторите, електронните лампи, бобините с желязна сърцевина и др.

Нелинейните съпротивления усложняват явленията в електронните схеми, но без тях не могат да се осъществяват редица основни процеси, като токоизправяне, детекция, модулация, усилване и т.н.

Съгласно закона на Ом токът през едно линейно съпротивление се определя по:

Физическия смисъл на този закон се състои в това, че протичащият ток е правопропорционален на приложеното напрежение. Тази формула се изразява геометрично чрез права линия минаваща през началото на координатната система, и затова тези съпротивления се наричат линейни. Наклонът на тази права линия зависи от големината на съпротивление (фиг. 3.1а)

Казано по-точно, ъгловият коефициент на правата е равен на проводимостта:

От тук следва, че колкото едно съпротивление е по-голям, толкова неговата волт-амперна характеристика сключва по-малък ъгъл с абсцисата.

Най-важната особеност на линейните съпротивления е тази, че тяхната стойност е постоянна т.е. не зависи нито приложеното напрежение, нито от протичащия ток.

Втората особеност на линейните съпротивления е тази, че тяхната стойност е една и съща за постоянен и променлив ток.

Линейните съпротивления биват активни (резистори, проводници) и реактивни (кондензатори, бобини без загуби)

При активните съпротивления електрическата енергия се превръща изцяло в друг вид енергия например топлина, светлинна, механична и др.

При реактивните съпротивления се наблюдава обмен на енергия, т.е. те могат известно време да запасят в себе си определена енергия, след това я отдават или в генератора или в някое активно съпротивление. Тук да подчертаем, че кондензаторите и бобините без сърцевина са линейни съпротивления. . Тяхното съпротивление е честотно зависимо и се изчислява по:

Нека разгледаме нелинейните съпротивления. Тяхната волт-амперна характеристика също минава през началото на координатната система, но не е права линия.

Съпротивлението за променлив ток в същата точка се нарича динамично (диференциално) съпротивление. Намира се по формулата

От физическа гледна точка положителното активно съпротивление поглъща електрическата енергия, като я преобразува в други видове енергия. Отрицателното активно съпротивление може да компенсира загубите в една верига, като разбира се, енергията е за сметка на източника

При включване в права посока съпротивлението на диода е малко а в обратна посока е голямо. На фиг. 3.5 е показана волт-амперната характеристика и на реален диод, като десния клон съответствува на положителни напрежения и токове, а левия клон на отрицателни напрежения и токове. Там са отбелязани пренагряването, което настъпва при недопустимо голямо натоварване в права посока и пробивите които настъпват при недопустимо големи обратни напрежения.

Ако пренебрегнем съпротивлението на високоомната база а също така съпротивлението на спойките и изводите, волт-амперната характеристика на полупроводниковия диод може да се представи е:

където Io - обратния ток на диода;

е - основата на натуралните логаритми

U - приложеното напрежение, което в права посока взема знака плюс а обратна минус.

Тези формули изразяват аналитично волт-амперната характеристика на полупроводниковите диоди и са едни от най-важните формули.

Нека да разгледаме волт-амперната характеристика на един конкретен полупроводников диод - например на българския маломощен импулсен силициев диод 2Д5606 (фиг. 3.5б). При малки напрежения в права посока токът през диода нараства бавно и едва при напрежения над 0.5V се увеличава бързо. В резултат на това характеристиката има "коляно", което за силициевите диоди е около 0.5 - 0.6V, а за германиевите 0.2 - 0.3V. Физически неговото съществуване е свързано с анулирането на потенциалната бариера в прехода. По-нататък при увеличаване на напрежението в права посока токът през диода нараства рязко. Токът в права посока не може да бъде неограничено голям и има някаква максимално допустима стойност. Всеки диод може да пропуска в права посока определен ток. При превишаване настъпва недопустимо загряване и евентуална повреда в прехода. От фиг. 3.5 б се вижда, че при диода 2Д6506 максималната стойност на напрежението в права посока е около 45 mA, при което падът на напрежение в двата края на диода е около 0.8V.

Сега да разгледаме лявата част от волт-амперната характеристика (фиг. 3.5б), която съответства на обратно включване на диода. Мащабите на фигурите не са еднакви.

От фигурата се вижда, че при увеличаване на обратното напрежение до около 40V обратния ток започва да нараства и при напрежение около 50V настъпва пробив.

Волт-амперната характеристика на диода се дава с формулата:

Влиянието на члена I_rB e такова, че намалява стръмността на правия клон от характеристиката, и то толкова повече, колкото е по-голямо съпротивлението r_B.

Обратния ток се състои от следните три съставки:

където Io - топлинния ток;

I_G - токът на термогенерация;

I_ут - токът на утечката.

Нека разгледаме по-подробно тези три съставки. Напомняме, че базата е по-високоомната област на прехода, в която се инжектират неосновни токоносители.

При несиметричен преход се извежда изразът.

където: q - товарът на електрона;

S - площта на прехода;

Pn - концентрацията на дупките в базата;

Lp - дифузната дължина на дупките в базата;

Понеже собствената концентрация n_i нараства експоненциално при увеличаване на температурата, топлинния ток също нараства експоненциално при увеличаване на температурата.

където: q - товарът на електрона;

S - площта на прехода;

d - широчината на прехода

n_i - собствена концентрация на дупки в базата;

Оттук следва, че токът на термогенерацията зависи най-вече от площта на прехода S, широчината на d прехода и от собствена концентрация на електрони. Понеже d зависи от приложеното обратно напрежение (2.9), токът на термогенерация расте с увеличаване не обратното напрежение според закона:

където: k e константа;

U - големина на обратното напрежение;

От (3.16) се вижда, че токът на термогенерацията е пропорционален на собствената концентрация n_i на полупроводника. Тя от своя страна при силиция е около 103 пъти по-малка от тази а германия (1.16). Понеже n_i расте експоненциално с увеличаване на температурата, токът на термогенерация също расте.

където I_GT - токът при температура Т;

IG3000 - токът на термогенерацията при стайна температура (300К)

е - основата на натуралните логаритми;

b - коефициент със стойности при силиция 0.070C-1, a при германия е 0.050С-1.

Оттук се вижда, че при нарастване на температурата токът на термогенерацията на силициевите преходи също се увеличава по-бързо отколкото при германиевите преходи, но поради неговата малка първоначална стойност дори при значителни работни температури (например 100 - 1200С) той е далече по-малък от тока на термогенерация на германиевите преходи.

Той се обуславя от повърхностното състояние на кристалите и от редица други явления, като адсорбция на различни вещества, замърсявания на повърхността им и т.н. Един от начините за намаляване на този ток е чистотата на технологията, херметично затваряне на елементите и др. Токът на утечката слабо зависи от температурата, но нараства почти линейно при увеличаване на обратното напрежение. Важна негова особеност е това, че той е нестабилен във времето, което води до т.нар. "пълзене" на тока. В крайна сметка токът на утечката зависи от технологичните условия на производството.

Сходствата и различията могат да се резюмират така:

2. Отпушването на германиевите диоди започва при 0.1 V, като при 0.3 - 0.4 V те са напълно отпушени. При силициевите диоди отпушването започва при 0.4 V и при 0.7 - 0.8 V те са напълно отпушени. Напрежението, съответствуващо на допирателната към правия клон на характеристиката, се нарича прагово напрежение на диода.

Вече се изместват от силициевите импулсни диоди понеже са по-евтини.

Точковите диоди са маломощни елементи с универсално приложение. Те представляват тънко волфрамово острие, запоено към германиев (или силициев) кристал с N проводимост (фиг. 3.10 а,б).

Главната особеност на всички точкови диоди е малката площ на PN прехода. Малката площ определя и малък собствен капацитет. При направата на такива диоди се използва полупроводник, чийто основни токоносители са с малко време на живот.

Най-важните параметри на точковите диоди са:

В таблица 3.2 са дадени цветните означения на някой параметри на българските германиеви точкови диоди.

Таблица 3.2

За означаване на диодите се използват и други цветни кодове. Съветските диоди Д9А - Д9М са покрити с устойчив черен лак , като близо до анода е нанесена червена точка (фиг 3.11б)

Таблица 3.3

На фиг. 3.12а е показан външния вид на българския силициев импулсен диод 2Д5607. Изработва се по планарно-епитаксиалната технология.

На фиг. 3.12г е дадена волт-амперната му характеристика при t = 25⁰ C.

Наред с изброените основни параметри за точковите диоди за импулсните са характерни и:

1. Време за установяване. Базата е по-високоомна от емитера. т.е. в стационарно състояние съпротивлението на базата е значително. При подаване на напрежение в права посока започва инжекция на дупки от емитера в базата. В началото на инжекцията съпротивленията на базата r_B е значително и намалява с течение на времето поради нарастване на концентрацията на токоносителите (фиг. 3.13а). Намаляването на съпротивлението трае до тогава, докато цялата база се заеме от неосновните токоносители.

2. Време за възстановяване. Когато върху диода действува определено напрежение в права посока, през него протича ток, обусловен от инжекцията на дупки от емитера в базата. При това положение, концентрацията на дупки в базата е значително по-голяма от равновесната, т.е. в базата има отрицателен заряд. При подаване на обратно напрежение този заряд не може да изчезне моментално. Ето защо новото поле в прехода увеличава част от тези дупки обратно в емитера (друга част рекомбинира в базата)и за определено време през прехода в обратна посока протича ток с амплитуда Iвъзст max, наречен още максимален ток на възстановяването (фиг. 3.13б). С течение на времето този ток намалява, докато концентрацията на дупки в базата достигне равновесната си стойност. след което през прехода остава да тече само Iобр. Интервалът от време от момента на подаване на обратен имуплс до момента в който обратния ток намалява практически до своята установена стойност, се нарича време на възстановяване на обратното съпротивление на диода tвъзс. Това е един от основните параметри на импулсните диоди. Колкото това време е по-малко, толкова диода е по-добър.

Това е най-разпространения метод за производство на диоди, транзистори и интегрални схеми. Използва се при направата най-вече на силициеви елементи поради това, че при окисляване полученият SiO₂ e един от най-добрите изолатори. Основните предимства на тази технология са следните:

Планарно-епитаксиалната технология е описана по подробно в част II.

Изходния материал е силициев монокристал с Р или N проводимост, който има цилиндрична форма с диаметър 60-100 mm и дължина 500 mm (фиг. 3.1а). С рентгенографски методи монокристалът се ориентира по подходящият начин и от него се изрязват стотици кръгли пластинки с дебелина 0.2-0.4 mm. Тези пластинки след съответно шлифоване представляват полупроводникова подложка за направата на диоди.

Фиг. 3.15

После върху полираната нискоомна подложка по метода на епитаксията се нанася тънък високоомен слой N силиций който представлява продължение на кристалната решетка на подложката (фиг. 3.15а). Именно този слой формира преходите на диодите. По-нататък чрез окисляване част от епитаксиалния слой се превръща SiO₂ (фиг. 3.15б)

След това обработката продължава до фотолитографския метод, който накратко се състои в следното:

Предназначени са за изправяне на променливи токове с честота до няколко килохерца. В зависимост от големината на изправения ток диодите биват: маломощни до 0.3А, средномощни до 10А и мощни над 10А. При изправителните диоди, площа на прехода е значително по-голяма. Наричат се още плоскостни диоди.

От фигурата се вижда, че диодите, които допускат значителен ток и имат малко r_B могат да се използват като стабилизатори на напрежение.

На фигурата е показан силициев изправителен диод Д226Б, който се произвежда по сплавната технология, Върху силициев N кристал 1 се стопява алуминиева капка 2 (алуминият е от трета валентност и в случая е донор). При сплавяването на алуминия и силиция се получава рязък PN преход. Към алуминия се запоява метален проводник, изолиран от корпуса посредством стъклен изолатор 3. Към другия край на силициевия кристал е сплавено тънко златно фолио и при рекристализацията се образува N+ силиций (т.е. силиций с повишена електронна проводимост). Така се образува омически контакт, който с корпуса и съответно с другия извод на диода, като се осигурява механична здравина и условия за топлоотдаване.

Дифузната технология се използва при преходи с по-голяма площ, тъй като тя осигурява по-добра равномерна дебелина на слоевете. При нея кристалната пластина от N силиция се загрява в специална пещ, в която има пари от бор. Атомите му попадат върху кристала и дифундират в него на определена дълбочина. По такъв начин повърхностния слой на кристала придобива Р проводимост, а във вътрешността се запазва N проводимостта. Понеже борът е дифундирал от всички страни на пластинката Р слоя отдолу и в страни се отстранява посредством ецване. Така получената пластина с PN преход се метализира от срещуположните страни за получаване на омически контакти и се закрепва в подходящ корпус.

Маломощните диоди се използват без радиатор. Средномощните и мощните се нуждаят от съответния радиатор.

Фиг. 3.18

Най-важните параметри са:

По време на работа всеки диод се загрява. Разсейваната мощност може а се изчисли с;

където S - сумарната площ в cm2;

tn max - максимално допустимата температура на прехода;

t_ok max - максималната температура на околния въздух;

Р - мощността, разсейвана от диода

Пример 3.3. Да се изчисли площта на алуминиев радиатор за силициев изправителен диод КД2003, ако средния изправен ток е Iср =5А, а максималната температура на околния въздух е 300 С

От таблица 3.5 отчитаме, че този диод има tn max = 1550C, Rok = 40C/W, и Unp = 1.5V. От (3.20) намираме:

Радиатора може да се изработи от алуминиева ламарина с дебелина 3-4 mm, като се изреже квадрат с размери 82х82 mm и в центъра се пробие отвор за закрепването на диода. В някой случаи радиаторите се боядистват с черен лак, което подобрява тяхната ефективност.

Когато желаем да получим по-голям изправен ток, няколко еднакви диода може да свържат паралелно (фиг. 3.19б)

Разработени са от Грондал през 1927 г. и са едни от първите полупроводникови елементи, произвеждани промишлено.

Представлява медна пластинка върху която е създаден пласт от меден окис Cu₂O (фиг. 3.20а). При нагряване прониква кислород (акцептор) във външния му край а в страната откъм медната пластинка проникват медни атоми (донор). Така в медния окис се образува PN прехода.

Конструиран е от Пресер през 1932 г. Състои се от алуминиева плочка, върху която е нанесен аморфен селен (фиг. 3.22а). Чрез подходяща топлинна обработка аморфния селен кристализира и намалява специфичното си съпротивление хиляди пъти. След това върху селенови слой се нанася метален слой от сплав, съдържаща кадмий, калий и бисмит. При нагряване прониква в селена и се образува кадмиев селенид, който има N проводимост, а откъм страната на алуминиевата плочка в селена се образува област с Р проводимост. По такъв начин посоката на пропускане на тока е от алуминия към сплавта. След направата вентилът се формира, като за известно време му се подава подходящо напрежение.

Селеновите вентили имат следните особености:

Селеновите вентили имат следните параметри:

Фиг. 3.22

На фиг. 3.22 б е показана селенова клетка в разглобен вид. Означенията са следните: 1 - аноден извод, свързан с алуминиевата плоча; 2 - алуминиева плоча; 3 - селенов слой, покрит със сплав; 4 - месингова шайба, допираща се до сплавта; 5 - катоден извод, контактурващ с месинговата шайба; 6 - изолационна тръба. Размерите на алуминиевата плоча са винаги по-големи от допрната площ с 20 %.

Фиг. 3.23

Високоволтови селенови стълбове.

Използват се при напрежения от 5 до 25 kV. Конструктивно представляват изолационна тръбичка в която са подредени плътно голям брой селенови клетки във вид на таблетки.

Понякога се наричат опорни диоди. Тяхното действие се основава на ефекта на Ценер, който представлява електрически пробив в преходи с малка широчина. Пробивът се дължи на ударната йонизация, в резултат на която обратния ток през прехода рязко нараства, без да го поврежда.

На фиг. 3.24а е показан външен вид на съветския маломощен ценеров диод Д808 а на фиг. 3.24б е начертана волтамперната му характеристика. В права посока това е обикновен диод, а в обратна има силно изразено стръмно нарастване на обратния ток. Участъкът от точка 1 до точка 3 е работния участък на волт-амперната характеристика на стабилитрона. Статичното съпротивление в точка 2 е:

Динамичното съпротивление в тази точка е:

и на него сътоветствува правата q.

Фиг. 3.25

Нека разгледаме основните параметри на ценеровите диоди:

Фиг. 3.26

Таблица 3.9

Силициевите стабилитрони при определен режим са източници на шум в НЧ обхват при лавинния пробив.

Когато трябва да се стабилизира по-високо напрежение, за което не разполагаме с необходимия стабилитрон може да се използва последователно свързване на еднакви стабилитрона.

При напрежения под 4-5 V ударната йонизация в силициевия преход се затруднява. Ето защо силициевите стабилитрони с Uст < 4 - 5 V нямат рязко изразено коляно (фиг. 3.25).

Диодите с които могат да се стабилизират напрежения под 4 - 5 V чрез използване на правия участък от волт-амперната им характеристика се наричат стабистори. Почти всеки диод може да се използва в качеството на стабистор, стига динамичното му съпротивление в права посока да е достатъчно малко. В такъв случай Uпр е напрежението на стабилизация. Температурата също оказва влияние.

За стабистори могат да се използват Д220С и Д223С

По своята конструкция тунелният диод прилича на плоскостните с тази разлика, че тук се използва полупроводник (германий или галиев арсенид) с по-голяма концентрация на примесите. Както знаем такъв полупроводник се нарича изроден и неговите свойства се приближават до тези на металите. PN прехода е около 100 пъти по-тесен от прехода на обикновените диоди. При наличността на тези особености в прехода възниква тунелен ефект, който е едно сложно квантовомеханично явление.

Според класическата физика един електрон може да премине през дадена потенциална бариера, само ако притежава енергия, равна или по-голяма от височината на бариерата. При тунелния ефект обаче някой електрони преминават потенциалната бариера и тогава, когато нейната височина е по-голяма от енергията на електрона, т.е. електроните минават като "през тунел" под бариерата, като енергията им след преминаването остава същата. По такъв начин при тунелните диоди PN прехода се оказва "пробит" и през него проникват в двете посоки електрони.

Токът Iд през тунелият диод може да се разглежда като съставен от три компоненти:

При сравнително ниски външни напрежения - например до 0.3 V, този ток е малък и може да се пренебрегне спрямо обратния тунелен ток. При по-високи напрежения, тунелният ефект изчезва и токът през тунелния диод се определя само от Iпр. т.е. тунелния диод има свойството на обикновен диод.

Най-важната особеност на тунелния диод е наличността на участък с отрицателно динамично съпротивление (падаш участък) във волт-амперната характеристика. Наличността по отрицателно съпротивление по променлив ток дава възможност тунелният диод да бъде използват за генериране и усилване на електрически трептения, а също така и в някой импулсни схеми.

На фиг. 3.29 б е показана волт-амперната характеристика на тунелен диод. При малки положителни и отрицателни напрежения диодът няма еднопосочна проводимост, т.е. прилича на обикновено съпротивление. При увеличаване на външното напрежение в права посока от U₁ до U₂ токът през диода намалява от Imax до Imin, което представлява работния участък на характеристиката му. Когато външното напрежение стане по-голямо от U₂, характеристиката на тунелният диод. На фиг. 3.30 а за сравнение са показани в един мащаб волт-амперни характеристики на обикновен и на тунелен диод. Виждаме, че падащия участък в характеристиката заема сравнително малка част от нея.

С тунелните диоди могат да се правят опростени схеми на автогенератори, усилватели, импулсни и други устройства, работещи до много високи честоти - няколко гигахерца. Техните високочестотни свойства се дългата на това, че токът през тях не е свързан с дифузия. Тунелният ток подобно на тока през металните проводници се разпространява със скоростта на светлината. Другото предимство на тунелните диоди е широкия температурен обхват на работа - галиево-арсенидните диоди например работят от 60 до 4000С.

Имат малка мощност до 1mW и изискват стабилно захранващо напрежение

Характерно за обърнатите диоди е това, че тяхното съпротивление в обратна посока е по-малко отколкото в права посока. Именно оттук е дошло и наименованието им. Тази тяхна особеност се вижда от волт-амперната им характеристика, дадена на фиг. 3.31. . Причината за това са високолегираните PN области. Поради тази причина те приличат на тунелните диоди, при които преходът е още по-тесен. Поради тесния преход още при малки обратни напрежения 0.05V, през прехода започва да протича значителен тунелен ток.В права посока тунелен ефект не възниква, тъй като преходът не е достатъчно тесен.

Основите параметри са:

Обърнатите диоди могат да се използват като детектори, тъй като в сравнение с обикновените точкови диоди тяхната линейност е по-голяма, което води до по-голям ефект на детекция. Също така нивото на шума е по-ниско и затова намират приложение в СВЧ смесители.

При тях се използва капацитета на PN прехода. Поти всеки диод може да се използва като варикап. На практика обаче варикапът трябва да отговаря на някой допълнителни изисквания. Ето защо като варикапи се използват силициевите стабилитрони или специално произвежданите диоди варикапи.

При обратно включване PN прехода притежава капацитет. При повишаване на напрежението, капацитета на прехода намалява.

Основни параметри на варикапа са:

Очевидно при дадена честота и при даден номинален капацитет по-голям качествен фактор ще има този диод, на който активното съпротивление r_B на базата е по-малко.

При включване в права посока PN прехода излъчва светлина от видимия спектър. След к,ато попаднат в чуждия кристал, инжектираните от Р в N кристала дупки изминат определено разстояние (т.нар. дифузна дължина L) и рекомбинират с намиращите се там електрони (фиг. 2.8). Същото се отнася и за инжектираните от N в Р кристала електрони. Ако са налице определени условия, именно при тази рекомбинация се получава отделяне на енергия във вид на светлина. Очевидно светлината се излъчва от област около PN прехода, имаща широчина, не по-голяма от дифузната дължина на токоносителите.

h - константа на Планк.

Върху цвета на светлината влияят и примесите и поради това в някой случаи се добавя бор, азот, алуминий и др.

Светодиодите се включват в права посока. При обратно включване също се получава рекомбинация но светенето е по-слабо.

Важна особеност на светодиодите е тяхната малка инертност от 10 -8 до 10-9s. Тя се определя от неосновните токоносители. Това означава, че светодиодите могат да работят в импулсен режим при честоти до 100 MHz. На фиг. 3.33б е показана зависимостта на амплитудата на яркостта на импулсната светлина от амплитудата на импулсния ток при два вида светодиоди. Вижда се, че в импулсен режим светодиодите може да излъчват за кратко време твърде интензивна светлина.

Фиг. 3.33

Съществуват диоди с два цвята на светене. Те имат три извода. При едновременно светене на двата диода се получава впечатление за жълта светлина. На този принцип се създават многоцветни индикатори.

Основни параметри на светодиодите са:

3. Яркост на светене B;

Фиг. 3.36

Използва се еднопосочната проводимост на контакта между метал и полупроводник.

При подаване на напрежение в права посока електрическото поле е съсредоточено изключително във високоомния слой N. Поради малката му дебелина интензитетът на полето в него достига до 106 V/m и дрейфова скорост на преминаващите от полупроводника към метала електрони става извънредно голяма, а токът - също така голям. Понеже дрейфовата скорост става съизмерима с топлинната скорост, тези електрони се наричат още горещи "електрони".

Основното предимство на диодите на Шотки е че при тях няма инжекция на неосновни токоносители, понеже електроните, преминаващи от полупроводника в метала, са основни токоносители за него. Поради това тук липсва разсейване, т.е. липсва един от основните недостатъци на обикновените диоди.

Другата особеност на диодите на Шотки е по-малкото им прагово напрежение. 0.4 - 0.4V. Причината за това е по-малката контактна потенциална разлика, а също и по-малкото обемно съпротивление на базата. Затова в последно време се произвеждат средномощни и мощни диоди на Шотки. Такъв е например съветския мощен диод 2Д219.

Използват се като превключватели (комутатори) на СВЧ обхвата и имат известни предимства пред диодите с обикновен PN преход. Наименованието им идва от особената структура на PN прехода, при която между P и N областите има тънък слой безпримесен полупроводник.

Както е известно, превключващите диоди по време на работа се намират главно в две състояние: отпушено и запушено. на практика това се постига чрез подаване на напрежения със съответната полярност (например чрез дросел). За превключването на големи мощности диодите трябва да имат голяма площ на прехода. Това би довело до по-голям капацитет. PIN диода при обратно включване има сравнително по-малък капацитет, а при право включване съпротивлението му не е голямо.

Това са галиево-арсенидни диоди, а които могат да се генерират СВЧ трептения, При тях няма PN преход и действието им се основава на откритията на Гън през 1963 г. ефект, който се заключава в следното. Ако N кристала от галиев арсенид се включи в електрическа верига, при интензитет на полето в кристала С > 103 V/cm токът във веригата придобива импулсен характер (фиг. 3.38). Честотата на повторение на импулсите зависи от размерите на кристала и се дава с формулата:

където L - дебелината на кристала в метри;

Причината за възникването на токовите импулси се дължи на това, че съществува определен критичен интензитет Екр на полето над който подвижността на електроните рязко намалява. Съгласно формула (1.10) намаляването на подвижността води до увеличаване на съпротивлението и до сложно разпределени на полето по дължина на кристала. Така в кристала възниква подвижно област от заряди, наречена домеин, която започва да се движи от катода към анода и достигайки го, се разпада. След това около катода се образува нов домеин и явленията се повтарят периодично с определена честота.

Диодите на Гън се използват за работа в СВЧ обхвата както в импулсен така и в непрекъснат режим. Намират приложение в радиолокацията, телеметрията, навигацията и други като генератори и усилватели.

Това са германиеви силициеви и галиево-арсенидни диоди с PN преход, които работят в режим на лавинен пробив. За целта в обратна посока се подава някакво постоянно напрежение, фиксиращо работната точка в областта на лавинно умножение на токоносителите, след което при подаване на променливо напрежение във веригата възникват СВЧ трептения със значителна мощност. Причината за това е наличността на отрицателно динамично съпротивление, проявяващо се само при определени условия. Отрицателното динамично съпротивление се дължи на това, че при определена стойност на полето Екр скоростта на електроните и дупките намалява, а в резултат на което настъпва дефазиране между приложеното напрежение токът намалява, което е същността на отрицателното съпротивление.

Работната честота на диодите с лавинно преливане зависи от размерите на прехода и обикновено е в границите от 1 до 50 GHz.

Това са полупроводникови диоди, които под въздействието на външно магнитно поле изменят съпротивлението си при протичане на ток в права посока. В литературата за тях се среща още названието магниторезистори. Тяхното действие се основава на ефекта на Гаус, който се състои в следното. Ако през полупроводников кристал протича електрически ток и перпендикулярно на него се приложи външно магнитно поле, то въздейства върху токоносителите и изменя техните траектории. Ефектът от това е намаляване на насочената скорост на токоносителите, т.е. намаляване на тяхната подвижност, в резултат на което нараства съпротивлението на полупроводника виж формули (1.9 и 1.10).

По време на работата върху магнитодиода в права посока се прилага определено напрежение (то е относително голямо - например 6 - 20 V), при което протича определен номинален ток (например 3 mA). Ако при това положение неговото съпротивление нараства, а токът през него намалява. По такъв начин магнитодиодите могат да се използват като датчици, реагиращи на магнитно поле. Въз основа на това те намират приложение в автоматиката, телеуправленеито, измервателната техника и др.

В конструктивно решение те съдържат два транзистора с PN преход, свързани галванично помежду си. Благодарение на тяхното взаимодействие се получава падащия участък в характеристиките им.

Най-лесно става с омметър. Първо трябва да се уточни полярността на уреда.

На фиг. 3.41б е показано разпределението на токовете и напреженията при измерване на нелинейно съпротивление.

Съпротивлението на тунелен диод и в двете посоки трябва да е малко. Най-добре се проверяват по схемата на фиг. 3.46.

Ценеровите диоди могат да се проверяват по схемата на фиг. 3.47. Може и с омметър като съпротивлението в права посока трябва да е малко а в обратна голямо.

През единия полупериод напрежението U₂ действа на диода в права посока (фиг. 3.48 б), а през другия в обратна фиг. 3.48 г.

Амплитудната стойност на тока във веригата в права посока ще бъде:

Напрежението и токът през товара не е изгладени и имат полусиносоидална форма.

При тази схема за практиката са важни следните особености:

1. Поставянето на кондензатор повишава изходното напрежение и изглажда неговите пулсации. Степента на изглаждане зависи от капацитета на кондензатора;

2. Изправителния диод трябва да издържа два пъти по-голямо напрежение и два пъти по-голям импулсен ток;

Тази схема почти не се използва в практиката.

Диодите се отпушват два по два. Амплитудната стойност във веригата е I₂m = U₂m / R_T.

Средната стойност на импулсния ток е:

На импулсното напрежение:

Изправения ток е:

амплитудата на тока през диода е:

Стабилизатори на напрежение.

Ако входното напрежение намалее от 12 на 10V стабилизираното напрежение от 7V ще спадне на 6.95V. Токът през товара практически ще остане същият, сумарният ток през баластния резистор ще намалее от 25 на 15mA, като напрежителния пад върху R ще намалее от 5 на 3V.

При изменения на входното напрежение свойствата на всеки стабилизатор се характеризира чрез т.нар коефициент на стабилизация, който се дефинира с израза: