двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие "П. д." объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов (См.
Полупроводниковые приборы)
. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных П. д. различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных П. д. выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.
Наиболее многочисленны П. д., действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (См.
Электронно-дырочный переход)
(
р-n-перехода). Если к
р-n-переходу диода (
рис. 1) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то
Потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из
р-области в
n-область и электронов из
n-области в
р-область - течёт большой прямой ток (
рис. 2). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через
р-n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На
рис. 3 приведена эквивалентная схема такого П. д.
На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные П. д., имеющие допустимый выпрямленный ток
Iв до 300
а и максимальное допустимое обратное напряжение
U*обр от 20-30
в до 1-2
кв. П. д. аналогичного применения для слаботочных цепей имеют
Iв < 0,1
а и называются универсальными. При напряжениях, превышающих
U*o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой
р-n-перехода, приводящий к выходу П. д. из строя. С целью повышения
U*обр до нескольких десятков
кв используют выпрямительные столбы (См.
Выпрямительный столб)
, в которых несколько одинаковых выпрямительных П. д. соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок (см.
Полупроводники) составляет > 10
-5-10
-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50-2000
гц)
.
Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10
-7-10
-10 сек и создать быстродействующие импульсные П. д., используемые, наряду с диодными матрицами (См.
Диодная матрица)
, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.
При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой
р-n-перехода - резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации
Ucт. На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов (См.
Полупроводниковый стабилитрон)
. Стабилитроны общего назначения с
Ucт от 3-5
в до 100-150
в применяют главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается исключительно высокая температурная стабильность
Ucт (до 1․10
-5- 5․10
-6 К
-1), - в качестве источников эталонного и опорного напряжений.
В предпробойной области обратный ток диода подвержен очень значительным флуктуациям; это свойство
р-n-перехода используют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в
р-n-переходе (характеризующаяся временем 10
-9-10
-10 сек)
обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде, вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрическую цепь) генерирование СВЧ колебаний. Это свойство успешно используют в лавинно-пролётных полупроводниковых диодах (См.
Лавинно-пролётный полупроводниковый диод)
, позволяющих осуществлять генераторы с частотами до 150
Ггц.
Для детектирования и преобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные П. д. и видеодетекторы, в большинстве которых р-n-переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости Св (рис. 3), а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности Lk и ёмкости Ск и возможность монтажа диода в волноводных системах.
При подаче на
р-n-переход обратного смещения, не превышающего
U*обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость
Св зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в
Варикапах
, применяемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах (См.
Параметрический полупроводниковый диод), служащих для усиления СВЧ колебаний, в варакторах и умножительных диодах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих П. д. стремятся уменьшить величину сопротивления
rб (основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости
Св от напряжения
Uo6p.
У
р-n-перехода на основе очень низкоомного (вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда, оказывается очень тонкой (Полупроводник
овый ди
од 10
-2 мкм)
, и для неё становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер (см.
Туннельный эффект)
. На этом свойстве основана работа туннельного диода (См.
Туннельный диод)
, применяемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах (например,
Мультивибраторах
, Триггерах)
, в усилителях и генераторах колебаний СВЧ, а также обращенного диода, применяемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ колебаний. Их ВАХ (
рис. 4) существенно отличаются от ВАХ других П. д. как наличием участка с "отрицательной проводимостью", ярко выраженной у туннельного диода, так и высокой проводимостью при нулевом напряжении.
К П. д. относят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойную
р-n-р-n-структуру и называют динисторами (см.
Тиристор)
, а также приборы, использующие объёмный эффект доменной неустойчивости в ПП структурах без
р-n-перехода -
Ганна диоды
. В П. д. используют и др. разновидности ПП структур: контакт металл - полупроводник (см.
Шотки эффект, Шотки диод)
и
р-i-n-структуру, характеристики которых во многом сходны с характеристиками
р-n-перехода. Свойство
р-i-n-структуры изменять свои электрические характеристики под действием излучения используют, в частности, в
Фотодиодах и детекторах ядерных излучений (См.
Детекторы ядерных излучений)
, устроенных т. о., что фотоны или ядерные частицы могут поглощаться в активной области кристалла, непосредственно примыкающей к
р-n-переходу, и изменять величину обратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации (См.
Рекомбинация) электронов и дырок, проявляющийся в свечении некоторых
р-n-переходов при протекании через них прямого тока, используется в светоизлучающих диодах (См.
Светоизлучающий диод)
. К П. д. могут быть отнесены также и полупроводниковые лазеры (См.
Полупроводниковый лазер)
.
Большинство П. д. изготавливают, используя планарно-эпитаксиальную технологию (см.
Планарная технология)
, которая позволяет одновременно получать до нескольких тысяч П. д. В качестве полупроводниковых материалов (См.
Полупроводниковые материалы) для П. д. применяют главным образом Si, а также Ge, GaAs, GaP и др., в качестве контактных материалов - Au, Al, Sn, Ni, Cu. Для защиты кристалла П. д. его обычно помещают в металло-стеклянный, металло-керамический, стеклянный или пластмассовый корпус (
рис. 5).
В СССР для обозначения П. д. применяют шестизначный шифр, первая буква которого характеризует используемый полупроводник, вторая - класс диода, цифры определяют порядковый номер типа, а последняя буква - его группу (например, ГД402А - германиевый универсальный диод; КС196Б - кремниевый стабилитрон).
От своих электровакуумных аналогов, например
Кенотрона
, газоразрядного
Стабилитрона
, индикатора газоразрядного (См.
Индикаторы газоразрядные)
, П. д. отличаются значительно большими надёжностью и долговечностью, меньшими габаритами, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей применения.
С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными П. д. диодных структур в ПП монолитных интегральных схемах (См.
Интегральная схема)
и функциональных устройствах, где П. д. неотделим от всей конструкции устройства.
Лит.: Полупроводниковые диоды. Параметры. Методы измерений, М., 1968; Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, М., 1970; Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы, М., 1973; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973.
Ю. Р. Носов.
Рис. 1. Структурная схема полупроводникового диода с р - n-переходом: 1 - кристалл; 2 - выводы (токоподводы); 3 - электроды (омические контакты); 4 - плоскость р - n-перехода.
Рис. 2. Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р - n-переходом: U - напряжение на диоде; I - ток через диод; U*oбр и I*oбр - максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; Ucт - напряжение стабилизации.
Рис. 3. Малосигнальная (для низких уровней сигнала) эквивалентная схема полупроводникового диода с р - n-переходом: rp-n - нелинейное сопротивление р - n-перехода; rб - сопротивление объёма полупроводника (базы диода); ryт - сопротивление поверхностных утечек; СБ - барьерная ёмкость р - n-перехода; Сдиф - диффузионная ёмкость, обусловленная накоплением подвижных зарядов в базе при прямом напряжении; Ск - ёмкость корпуса; Lк - индуктивность токоподводов; А и Б - выводы. Сплошной линией показано подключение элементов, относящихся к собственно р - n-переходу.
Рис. 4. Вольтамперные характеристики туннельного (1) и обращенного (2) диодов: U - напряжение на диоде; I - ток через диод.
Рис. 5. Полупроводниковые диоды (внешний вид): 1 - выпрямительный диод; 2 - фотодиод; 3 - СВЧ диод; 4 и 5 - диодные матрицы; 6 - импульсный диод. Корпуса диодов: 1 и 2 - металло-стеклянные; 3 и 4 - металло-керамические; 5 - пластмассовый; 6 - стеклянный.