Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом и двумя выводами, который предназначен для выпрямления, детектирования, ограничения и других нелинейных преобразований электрических сигналов.
Разновидности конструктивного исполнения диодов
Полупроводниковый диод является одним из наиболее распространенных полупроводниковых приборов. В настоящее время на их долю приходится около 10 % от всех дискретных элементов, применяемых в РЭА.
Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными.
Они также применяются для коммутации и ограничения сигналов в цепях, где необходимы вентильные элементы и не предъявляются жесткие требования к временным и частотным параметрам. Полупроводниковый диод состоит из одного p–n-перехода. Вывод, подключенный к области p-типа, называется анодом, а вывод, подключенный к области n-типа, – катодом (рис. 1.8).
Рис. 1.8
Идеализированная вольт-амперная характеристика диода описывается выражением 
.
В реальных диодах прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики (рис. 1.9, сплошная линия) отличаются от теоретической (штриховая линия).
Рис. 1.9
Это обусловлено тем, что при выводе математической модели не учитывалось падение напряжения в объеме полупроводника 
и 
типа 
, токи утечки и термогенерации 
, а также возможность теплового, лавинного и туннельного пробоев.
При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную характеристику, сложно и нецелесообразно. Поэтому ограничиваются учетом влияния температуры на значение обратного тока диода.
При инженерном расчете величины обратного тока можно пользоваться упрощенным выражением
,
где 
– приращение температуры, при котором обратный ток 
удваивается (
для германия и 
для кремния).
Параметры выпрямительных диодов
Свойства выпрямительных диодов характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:
максимально допустимый средний прямой ток 
– максимально допустимое среднее за период значение тока, протекающего через диод.
постоянное прямое напряжение диода 
– постоянное прямое напряжение при заданном постоянном прямом токе (доли В);
постоянный обратный ток диода 
– постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении (доли мкА – несколько мА);
максимально допустимое постоянное обратное напряжение 
;
общая емкость диода 
– емкость между выводами диода при заданных значениях напряжения смещения;
дифференциальное сопротивление диода 
– отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы – сотни Ом);
– максимальная рабочая частота входного напряжения;
максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность диода 
и некоторые другие.
Превышение максимально допустимых параметров снижает надежность диода и может привести к полному выходу его из строя.
Эти параметры характеризуют свойства не только выпрямительных, но и других типов диодов и относятся к классу общих параметров диодов.
Модели диодов
Под моделью понимается любой объект, способный замещать исследуемый объект с целью изучения и фиксации его свойств. При анализе и синтезе электронных схем используются три вида моделей (рис. 1.10).
Физические модели и связанные с ними математические модели (ММ) отражают физические процессы в конкретных электронных приборах. Эти модели описывают, как правило, свойства приборов во всех режимах работы и используются для понимания принципа действия конкретного электронного прибора, а также для точного расчета различных электрических схем. Физическая модель диода (
-перехода) была рассмотрена ранее.
Математическая модель идеального полупроводникового диода соответствует математической модели p–n-перехода и имеет следующий вид:
где 
– обратный (тепловой) ток диода;
– температурный потенциал;
– напряжение на диоде.
Рис. 1.10
Ключевые модели – это упрощенные модели, которые описывают свойства электронного прибора в двух крайних режимах работы: при прямом включении (нормально открытом состоянии) и обратном включении (нормально закрытом состоянии). Ключевые модели полупроводникового диода представлены на рис. 1.11.
Рис. 1.11
Кроме приведенных выше ключевых моделей, иногда используются модели, учитывающие емкость диода, например, представленные на рис. 1.12, где
– диффузионная и барьерная емкости диода.
Рис. 1.12
Формальные математические модели (ФММ) и формальные электрические схемы (ФЭС) – это упрощенные модели, которые описывают связь токов и напряжений в электронном приборе при небольших их изменениях. При построении ФММ и ФЭС отвлекаются от физических процессов в конкретном электронном приборе, т. е. подходят к построению моделей с формальной точки зрения. По этой причине такие модели называют формальными моделями и они имеют одинаковый вид для различных типов электронных приборов.
Эти модели еще называют малосигнальными моделями.
Запишем связь тока и напряжения в полупроводниковом диоде в общем виде:
.
Для малых приращений токов и напряжений получим:
Пусть приращения 
представляют малые гармонические колебания с комплексными амплитудами , тогда можно записать
или
.
Последнее уравнение называется формальной математической моделью диода.
ФЭС представляет собой электрическую схему, для которой справедлива ФММ. ФЭС для диода приведена на рис. 1.13, а.
Рис. 1.13
На практике, в зависимости от решаемой задачи, могут использоваться ключевые и формальные модели, уточненные элементами физических моделей. Примером могут служить ключевые модели диода, представленные на рис. 1.13, а, или модель диода по переменному току (рис. 1.13, б),
где
– сопротивление объема 
областей,
С – полная емкость 
перехода.
Рассмотренные выше модели используются при анализе и синтезе различных электронных схем. Принцип использования моделей заключается в следующем: в анализируемой электрической схеме электронный прибор (например диод) заменяется на подходящую модель или соответствующую эквивалентную схему, после чего на основе законов электротехники производится необходимый расчет.
Классификация выпрямительных диодов
В зависимости от значения максимально допустимого среднего прямого тока диода (
) различают выпрямительные диоды:
малой мощности ( < 0,3 А);
средней мощности (0,3 < < 10 А);
силовые ( > 10 А).
Все выпрямительные диоды, как правило, работают с естественным охлаждением. Однако для лучшей теплоотдачи, позволяющей повысить значения допустимых прямых токов, в диодах делают более массивными корпуса и применяют радиаторы.
При создании полупроводниковых диодов с большим обратным напряжением и большими прямыми токами используют последовательное (рис. 1.14) и параллельное (рис. 1.15) включение диодов.
Резисторы 
и 
включают для выравнивания обратного и прямого сопротивлений диодов.
В настоящее время серийно выпускают выпрямительные столбы и блоки, включающие в себя от 5 до 50 однотипных диодов.
Рис. 1.14 Рис. 1.15
Основной областью применения выпрямительных диодов является преобразование переменного тока в постоянный, осуществляемое в выпрямителях. Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит из источника входного сигнала, выпрямительного диода 
, сопротивления нагрузки 
и фильтрующей емкости 
(рис. 1.16, а).
Рис. 1.16
При положительной полуволне диод находится в открытом состоянии и конденсатор 
заряжается до 
по цепи 
, диод, 
. При отрицательной полуволне диод закрыт, и конденсатор разряжается через 
. Так как сопротивление открытого диода мало, а сопротивление большое, заряжается конденсатор быстро, а разряжается медленно. Поэтому напряжение на конденсаторе, а следовательно, и на нагрузке незначительно пульсирует (рис. 1.16, б).
Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде входного напряжения (
). Так как 
, то 
и диод следует выбирать из этого условия.