Site Loader

Полупроводниковые диоды

Основой полупроводникового диода является рn-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей рn-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.

diodРис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод

diod

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия

GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с рn-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован

рn-переход. Кремниевый рn-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с рn-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (Iпр. ср< 0,3 А), средней (0,3 А < Iпр. ср< 10 А) и большой (Iпp.ср> 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

diod1Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный рn-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а, а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б.

Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь рn-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости Сд между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (fмакс ? 300 МГц) и СВЧ (fмакс ? 300 МГц). Помимо статической емкости Сд

точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.

Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: Сд и tвосст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения.

Стабилитроны

– это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение Uобр. пр, то происходит лавинный пробой рn-перехода,

при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст. макс, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых

р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя рn-перехода.

К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации
Uст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации Iст. ном (см. рис. 1.8, а). Помимо Iст. ном указываются также минимальное Iст. мини максимальное Iст. максзначения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от ширины рn-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения uвх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение uвых остается практически неизменным.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его

рn-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный рn-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина pn-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость Сном, определяемая при номинальном напряжений смещения (Uном= 4 В), максимальная Смакс и минимальная Сминемкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости Кс= Смаксмин), добротность Q, а также Uобр.макс.

Фотодиод полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области pn-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда

электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к рn-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n— и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока рn-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области рn-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда рn-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в

р-область, а электроны – в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, определяемые равенствами (1.8), (1.9), возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком Iф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой, в соответствии с выражением (1.10), тепловой ток Io, обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n-типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Еф. Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях.

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является рn-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Ее в энергетическое состояние уровня Еу с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс = 1 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.12 ВАХ туннельного диодаРис. 1.12 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

diod

Полупроводниковый диод: история, развитие, особенности

Полупроводниковый диод – это электрический прибор с одним p-n-переходом, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой. В аппаратуре используется для выпрямления тока, входит в состав мостов различного толка. Полупроводниковый диод обозначается на схеме темным (реже прозрачным) треугольником с вершиной и перпендикулярной чертой при катоде (n-область).

Основные термины и определения

К полупроводниковым диодам принято относить ряд классов, по праву выделяемые в отдельные семейства. Это варикапы, стабилитроны, светодиоды и прочее. Общим становится наличие единственного p-n-перехода. Ламповые выпрямители также называют диодами. В указанном контексте и применяется эпитет полупроводниковые, чтобы отметить наличие p-n-перехода.

Электрический диод

Электрический диод

Диоды ценятся за ярко выраженные выпрямляющие свойства. Ток проходит через p-n-переход в одном направлении, что решает большой спектр технических задач. Массово применяются выпрямительные свойства полупроводников и в интегральных схемах, включая кристаллы. Хотя в процессорах по большей части на подложке формируются транзисторы, рассматриваемые как два включённых навстречу полупроводниковых диода. Избыточность оправдывается унификацией технологического цикла.

Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов открыты на примере сульфида меди. Об этом нетрудно прочитать в исторической справке, приведённой ниже. Вдобавок полупроводниковые диоды создаются на основе любого природного минерала, неметаллов IV, V и VI групп, различных оксидов, сплавов, части органических красителей (для светодиодов используется указанный класс веществ).

История развития полупроводниковой техники

Первые «кристаллические» диоды

Вопреки общепринятому мнению выпрямляющие свойства перехода металл-полупроводник (диод Шоттки) известны давно. В широком смысле полупроводниковая техника начала развиваться семимильными шагами после Второй мировой войны. Причины случившегося:

  1. В военное время большинство стран вело исследования в области новых технологий. К примеру, появился на свет и был немедленно засекречен транзистор. Равно как и первый операционный усилитель предполагалось использовать для привода зенитных орудий системы противовоздушной обороны. Это изобретение могло бы увидеть свет раньше, первые работы в упомянутой области проводились на заре 30-х годов XX века.
  2. Приблизительно за 10 лет до начала Второй мировой войны большинство стран оказалось в курсе грядущих событий. Не удивительно, что держали в секрете избранные сведения.
  3. Если брать в рассмотрение фашистскую Германию, её правительство по соображениям давно взлелеянной неприязни отказывалось общаться с прочими европейскими державами. Поводом стали итоги Первой мировой войны.
Применение диода

Применение диода

Итак, полупроводниковая техника стала развиваться в условиях недавно созданной ООН, гарантировавшей мир на земле, и принятого ею устава. Выпрямительные свойства полупроводников открыты немецким учёным Карлом Фердинандом Брауном, получившим на пару с Маркони Нобелевскую премию за развитие беспроводного телеграфа (радиосвязи) в 1909 году. К великому сожалению, нет возможности найти перевод работы “Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle”, опубликованной в журнале Annalen der Physik und Chemie 1874 года за номером 153.

Двумя годами ранее, в марте 1872 года Карл получает степень доктора философии за работу в области колебаний струны. Потом остаётся в Берлинском Университете. Научный руководитель работы, Георг Квинке, получает назначение в Вюрцбург, и оба следуют туда, где внимание сосредотачивают на проводимости материалов. Опубликованы отчёты о прохождении тока сквозь расплавы солей и выпрямляющих свойствах слоёв газа с разной проводимостью. Первоначально заинтересовавшись солями свинца, Карл Браун дошёл, наконец, до сульфида меди.

23 ноября 1874 года в свет выходит работа, где обсуждаются искусственно созданные и натуральные образцы материала с точки зрения электропроводности. Избранные демонстрировали разницу в сопротивлении, зависящую от направления, составлявшую 30%. Обнаружено, что в одном из направлений проводимость образца зависит от силы текущего тока, измеренной гальванометром. Так обнаружились и нелинейные свойства материала, ныне демонстрируемые полупроводниковыми диодами. Одновременно эффект зависел от способа приложения металлических электродов, что указывало на анизотропность обнаруженных качеств.

В то время происходящее считалось необъяснимым, наблюдаемый результат противоречил известным научным фактам. Сегодня известно, что переход металл-полупроводник обладает выпрямляющими свойствами наравне с p-n-переходом. Разница в том, что на первом падение напряжения меньше. Соответственно, полупроводниковые диоды Шоттки применяют в качестве выпрямителей на выходных каскадах блоков питания. В упомянутое время Вернер Сименс обнаружил одностороннюю проводимость кристаллов селена. А Браун добавил ещё ряд материалов, среди прочего – псиломелан (руда марганца), создав первый усиковый (точечный) диод.

Первый детектор для радио

Идеям Брауна нашёл практическое применение Джагдиш Чандра Бос, собравший первый детектор для радио под частоты миллиметрового диапазона из галенита (сульфид свинца) и получивший на него патент США за номером 755840, поданный на рассмотрение 30 сентября 1901 года и одобренный в марте 1904. Бенгальский учёный доложил об изобретении в 1899 году Королевскому научному обществу Англии. Уже в декабре 1901 года прибор применили для расшифровки трансатлантической телеграфной передачи Маркони.

Вскоре появляются новые детекторы:

  • Патент № 836531, поданный 20 августа 1906 года Гринлифом Пикардом, примечателен тем, что впервые здесь упоминается о кристалле кремния (с англ. – силикон).
  • Генри Данвуди 23 марта 1906 года для целей выпрямления тока использует карбид кремния (карборунда). Материал вначале синтезирован и лишь впоследствии обнаружен на осколках упавшего метеорита.

Некоторое время кристаллический детектор использовался и даже дал направление в электронике светодиодам, но с изобретением электронных ламп полупроводники ушли на задний план. И так происходило до послевоенных лет. С началом 50-х и вхождением в обиход транзисторов, а главное – германия, полупроводниковая техника развивается семимильными шагами и поныне.

Объяснение найдено

Лишь в 1928 году Арнольд Зоммерфельд и молодой Феликс Блох (Блоховские электроны) объяснили открытие Брауна с позиций квантовой механики. В первом приближении о новом направлении науки нетрудно узнать из заметки 1931 года On the quantum mechanics of electrons in crystal lattices за авторством Грониха и Пенни из Гронингенского Университета. Русскоязычным читателям удобнее ознакомиться с одномерной моделью движения электронов в периодическом поле, которая впервые наглядно иллюстрирует природу возникновения энергетических зон в кристалле.

Показано, что функция распределения энергий не непрерывна. Присутствуют разрешённые области, разделённые запрещёнными. Сегодня о теории знает каждый ученик из школьного курса физики, но роль первопроходца целиком отдаётся Шокли, что не совсем верно. В действительности полную теорию, хорошо согласующуюся с практикой, подвёл под полупроводники Ханс Альбрехт Бете в 1942 году (несколькими годами позднее знаменитого коллеги).

Полупроводниковый прибор

Полупроводниковый прибор

Бурное развитие полупроводниковой техники

В послевоенные годы выгоды выпуска полупроводниковой техники ещё не были очевидны. На начало 50-х производством занимались две американские компании:

  1. Texas Instruments (с 1951 года – выделенное предприятие, отпочковавшееся от Объединённой геофизической службы) с 1950 году выпускает полупроводниковые транзисторы, и сегодня занимает ведущую роль в производстве электронных компонентов. Небезызвестный Джэк Килби, изобретатель интегральных микросхем, работал в упомянутой компании. На момент середины 50-х Texas Instruments занимала первое место по объёму оборота средств в сфере производства полупроводниковой техники.
  2. Ныне несуществующая компания Transitron, созданная в 1952 году Лео и Дэвидом Бакаларами, к 1955 на пару с Texas Instruments выпускала более трети всех полупроводниковых приборов, за считаные годы поднялась до вершины. Материнская для Texas Instruments компания существовала с 1930 года, работала в военное время на правительство и обладала широкой известностью. На 1961 год оборот средств Transitron составил 40 млн. долларов. И это до первого нефтяного кризиса! Дэвид числился президентом до 1984 года, через пару лет компания прекратила существование.

Упадок Transitron начался в 60-е, когда они ошибочно отказались от новых направлений. Речь идёт об интегральных микросхемах. Перспективы обрёл кремний, хотя прежде в силу известности использовался германий. Более подробно о причинах ситуации можно прочитать в топике про биполярные транзисторы.

Добавим, в полупроводниковой технике требуется столь высокая степень чистоты кремния, что на момент середины XX века производство выходило чрезвычайно дорогим. В то же время германиевые приборы показывают меньшие предельные температуры (85 градусов Цельсия) и при перегреве легко выходят из строя. Легко понять, почему Transitron, отказавшаяся вложить средства в инновации, уже с середины 60-х годов начала терпеть серьёзные убытки.

Последние силы компании оказались отняты разработкой собственного микропроцессора, не имевшего коммерческого успеха. Кстати, германий, по некоторым оценкам, вновь станет весьма перспективным элементом и полупроводником. К примеру, на его основе создаются и выпрямители. Причём не только для радиочастот, но и промышленных сетей 50 Гц 220 В, что делает их перспективными в качестве замены громоздким реле.

Полупроводниковые диоды Шокли

В 1956 году Вильям Шокли основывает в Пало Альто (штат Калифорния) собственную компанию по адресу Сауф Антонио Роуд, 391. Это первое предприятие, занимающееся полупроводниками, на месте, где теперь расположена известная Силиконовая долина. Основной продукцией стал 4-х-слойный диод, называемый в среде профессионалов транзисторным диодом или диодом Шокли.

По задумке автора приборы должны были прийти на замену обычным реле в отрасли связи. Но из-за сложности реализации идея пришлась не по зубам технологии того времени. Читатели уже догадались, что речь идёт о тиристорах с регенеративной характеристикой. Таким образом, диодом можно назвать и указанное полупроводниковое изделие. А точнее – диодом Шокли.

Состоит он из 4-х чередующихся по типу проводимости слоёв полупроводника. Крайний n-типа называется катодом, а противоположный анодом, как у обычного диода. Работа диода Шокли основана на лавинном пробое, после понижения напряжения переходы вновь запираются, и система возвращается в исходное состояние.

Новое время

Если в начале 70-х по производству полупроводниковых материалов однозначно лидировали США, на заре 80-х Япония стала наращивать темпы. Юго-Восточная Азия и Европа стали последними, кто присоединился к этой гонке. Сегодня четыре упомянутых региона примерно поровну поделили объёмы производства, и, конечно, одеяло тянет на себя Китай: за первое десятилетие XXI века удвоил объёмы выпуска. По некоторым прогнозам Пекин к 2020 году возьмёт половину от мирового производства.

Полупроводниковый диод — это… Что такое Полупроводниковый диод?

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.[1]

Основные характеристики и параметры диодов

Диод ДГ-Ц25. 1959 г.
  • Вольт-амперная характеристика
  • Постоянный обратный ток диода
  • Постоянное обратное напряжение диода
  • Постоянный прямой ток диода
  • Диапазон частот диода
  • Дифференциальное сопротивление
  • Ёмкость
  • Пробивное напряжение
  • Максимально допустимая мощность
  • Максимально допустимый постоянный прямой ток диода

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

  • Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
  • Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
  • Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
  • Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
  • Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
  • Параметрические
  • Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
  • Умножительные
  • Настроечные
  • Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

  • Низкочастотные
  • Высокочастотные
  • СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

  • Плоскостные
  • Точечные

Типы диодов по конструкции

Другие типы

Примечания

  1. Овечкин Ю. А. Полупроводниковые приборы: Учебник для техникумов. 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Высш. шк., 1986
  2. 1 2 Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985.

Литература

  • Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985. — 176 с.
  • Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987. — 479 с.

Ссылки

Полупроводниковый диод, его свойства и область применения

Полупроводниковые диоды относятся к электронным приборам, использующим одностороннюю проводимость электронно-дырочного перехода.

Iпр

Iобр

р-n-переход

обладает неодинаковыми

сопротивлениями в прямом

и обратном направлениях;

Uобр

Uпр

можно преобразовать

IперемвIпост.

Iобр

Диоды

Точечные

Плоскостные

электронно-дырочный переход создаётся в месте контакта пластинки Ge(Si) с заострённой металлической проволочкой, имеющейакцепторные \ донорные примеси.

Используются:

— в маломощных выпрямительных схемах;

— для детектирования и преобразования частоты;

— в измерительной аппаратуре

основаны на использовании р-n-перехода. Изготовляются методом сплавленияGeсIn(акцептором). При нагреванииInплавится и диффундирует вGeна границе сInуGe– дырочная односторонняя проводимость

Используются:

— выпрямление, преобразование, стабилизация, генерация и т.п.

Два опасных случая:

1) Uобр.max>[U]

Включаем несколько диодов последовательно для равномерного распределения напряжения между ними. Из-за разброса параметров диодов можетRобр.различныUраспределяется между диодами ~ ихRможет также бытьUобр.max>[U] на одном из них подключаются активные сопротивленияRш~1-10 кОм.

2) I>[I]

П

D1 D2

Rш Rш

Rд D1

RдD2

рименяется параллельное включение диодов. Чтобы устранить разбросRдиодов на работу схемы, последовательно с ними подключаются добавочные сопротивленияRд~0,2-0,8 кОм.

Случай 1 Случай 2

Принцип действия транзистора (полупроводникового триода)

Полупроводниковый триод (транзистор) представляет собой электронный прибор, основанный на свойствах двух, расположенных весьма близко друг к другу, электронно-дырочных р-nпереходов.

Основной элемент транзистора – кристалл германия или кремния, в котором с помощью соответствующих примесей создаются три слоя с различными типами проводимости.

в обоих транзисторах – 2 p-n-перехода с динамическим равновесием

К

Э

К

Э

К

К

Si

На основе Ge (германия)

На основе Si (кермния)

Принцип действия транзисторов обоих типов один и тот же. Различие состоит лишь в выборе полярности присоединяемых источников питания.

Э – эмиттер; Б – база; К – коллектор.

Транзисторы включаются в схему таким образом, чтобы к p-n-переходу П1эмиттер-база внешнее напряжение было приложено в прямом направлении, а кp-n-переходу П2коллектор-база – в обратном направлении. При включении внешних напряжений для обоих полупроводниковых триодов потенциальный барьер между эмиттером и базой понижается, а между базой и коллектором – увеличивается. В результате этого основные носители заряда эмиттерного слоя переходят в область базы, а затем в область коллектора, создавая ток через коллекторныйp-n-переход.

Одновременно с этим имеет место и переход основных носителей заряда базы через эмиттеный переход. Однако в область базы при изготовлении триода вводят << примесей, чем в эмиттер, поэтому ток через эмиттерный переход создаётся главным образом переходом основных носителей заряда эмиттера через базу. Если время прохождения основных носителей заряда эмиттера через базу много меньше времени их независимого существования, то основная часть этих носителей дойдёт до коллекторного перехода. При этом лишь небольшая часть указанных носителей рекомбинирует в базе с её основными носителями. Значит, величина тока, протекающего через коллекторный переход, определяется и зависит от величины тока, протекающего через эмиттерный переход.

Связь между током коллекторной и током эмиттерной цепей:

α=dik/diэприUk=const. – коэффициент передачи тока.

В простейшем случае: α=Ik/Iэ.

Для плоскостных транзисторов: α=0,92-0,99.

Ток базы: Iб=Iэ-Ik.

Как выводить формулы:

Общие формулы, независимые от схемы включения транзистора:

— коэффициент усилительного каскада по току Ki=iвых/iвх

i,u– мгновенные значения

коэффициент усиления по напряжениюKU=Uвых.Uвх

— коэффициент усиления по мощности KP=Ki∙KU

— входное сопротивление каскада Rвх=Uвх/iвх

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается база. Эмиттерная цепь – входная, а коллекторная – выходная.

Отсюда Kiб=iвых /iвх=ik/iэ=α , гдеik– ток коллектора,iэ– ток эмиттера.

Соотношение между токами эмиттера, коллектора и базы для схемы с общей базой: iэ=ik+iб, гдеiб– ток базы.

Входящее в выражение для коэффициента усиления по напряжению входное сопротивление для этой схемы оказывается равным Rвхб=Uэб/iэ=Rэб. Это сопротивление открытогоp-n-перехода.Rэб~ 10-100 Ом.

В усилителях на транзисторах сопротивление коллекторного перехода:

R

Поэтому KU>1

H>> сопротивления слоя базы

Rб>> сопротивления эмиттерного переходаRэ.

В соответствии с условными положительными направлениями напряжений нетрудно установить, что сигналы на входе и на выходе схемы с общей базой совпадают по фазе.

Схема включения транзистора с общим эмиттером и её коэффициенты

Наиболее часто используют схему с общим эмиттером, с помощью которой возможно осуществить усиление по току, по напряжению и наибольшее по сравнению с другими схемам усиление по мощности. У схемы ОЭ малое входное сопротивление, порядка сотен Ом.

В

α=ik/iэ α=β/(1+ β)

iэ=ik+iб β=α/(1-α)

о многих справочниках по транзисторам даётся коэффициент усиления по току для схемы ОЭ: β=ik/iб. β~10-100.

С

=>

вязьβcαможно выразить из системы:

,

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается эмиттер. Цепь базы – входная, а коллекторная цепь– выходная.

Тогда коэффициент усиления по току Kiэ=ik/iб=β=α/(1-α).

Так какα~0.91-0.99, коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером оказывается больше 1 эта схема может быть использована для усиления тока.

Выражение для коэффициента усиления по напряжению для этой схемы:

Kuэ=Uвых/Uвх=ikRHэ/(iбRвхэ)=βRHэ/Rвхэ.

Входное сопротивление в этой схеме: Rвхэ=Uвх/iвх=Uэб/iб

Выразим ток базы через ток эмиттера: iб=iэ(1-α)

Подставим в выражение для входного сопротивления: Rвхэ=Uэб/iэ(1-α)=Rэб/(1-α)=Rэб(1+ β)

Тогда KUэ=βRHэ/(1+β)Rэб=αRHэ/Rэб.

Сопротивление Rэботкрытого перехода обычно << нагрузочного сопротивленияRHэ, поэтомуKUэ>1 => схема ОЭ может быть использована и для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности:

Kpэ=KiэKUэ2RHэ/(1+β)RЭб2RHэ/(1-α)RЭб.

Если проанализировать это выражение, то можно доказать, что схема ОЭ может быть использована и для усиления мощности.

При этом в соответствии с условным положительным направлением напряжение в схеме ОЭ входной и выходной сигналы находятся в противофазе, то есть сдвинуты относительно друг друга на угол, равный 1800.

Схема включения транзистора с общим коллектором и её коэффициенты

Схема ОК имеет большое входное сопротивление, порядка десятков и сотен кОм, и низкое выходное сопротивление. Поэтому эту схему часто применяют в многокаскадных усилителях в качестве согласующего каскада и выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

Коэффициент усиления по току может быть записан:

Kik=iвых/iвх=iэ/iб= iэ/ iэ(1-α)=1/(1-α)=1+ β>1.

Коэффициент усиления по напряжению для схемы ОК:

KUk=Uвых/Uвх=iэRHk/(iбRвх)=KikRHk/Rвх.

При этом входное сопротивление для схемы ОК: Rвхк=Uвх/iб=Uвх/iэ(1-α).

По второму закону Кирхгофа: Uвх=iэRHk+Uэб. Подставляем в предыдущую формулу:

Rвхк=RHk/(1-α)+Uэб/iэ(1-α)=RHk/(1-α)+Rэб/(1-α).

Так как Rэб<<RHk, это выражение можно упростить:

Rвхк=RHk/(1-α) ≈RHk(1+β).

Значит, входное сопротивление схемы ОК зависит от сопротивления нагрузки и может достигать больших значений порядка 10-100 кОм.

Подставляем входное сопротивление вида Rвхк=RHk/(1-α) в коэффициент напряжения, получаем:KUk≈1. Значит, схема с общим коллектором не пригодна для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности:KPk=KikKUk=1/(1-α) ∙ 1 ≈1/(1-α)=β+1.

Полученные выше формулы позволяют дать сравнительную оценку возможных схем включения транзистора и установить эффективность применения той или иной схемы с точки зрения усиления тока, напряжения и мощности.

Ток: Kik≈Kiэ≈50Kiб при α=0.98;

Напряжение: KUб≈KUэ>>KUk

Входное сопротивление: Rвхк>>Rвхэ≈ 50Rвхб

Ммощность: KPэ≈50Kpб>Kpkпри равенстве нагрузочных сопротивлений для ОЭ и ОБ.

5. Полупроводниковые диоды и их применение

5. Полупроводниковые диоды и их применение.

5.1. Полупроводниковый p-n-переход и выпрямительные диоды

Полупроводниковые диоды относятся к обширному классу полупроводниковых приборов, применяющихся при построении электронных информационных систем, а также в устройствах управления, измерения и радиотехники.

Слово “диод” образовано от греческих слов “ди”-два и сокращенного “(электр)од”. Упрощенная структура и условное графическое обозначение диода, приведены на рис. 5.1.

Рис. 5.1.

Основой всех типов диодов, изготавливаемых промышленностью, является p-n-переход, поэтому рассмотрим физические принципы его работы.

Полупроводниковый переход и его свойства. Полупроводниковым переходом называют тонкий слой между n и p полупроводниками. N область перехода, легированная донорной примесью, имеет электронную прово­димость. P область, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость. Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Для p-n-переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает. Устройство p-n-перехода показано на рис. 5.1, а.

Электроны в n области диффундируют в p область и там рекомбинируют с дырками до тех пор, пока не установится динамическое равновесие. Аналогично, дырки из p области перемещаются в n область. В результате встречного движения противоположных ионов возни­кает так называемый диффузионный ток. Оно достигается вследствие образования у металлургического контакта некомпенсированного отрицательного заряда акцепторных атомов (дырки, компенсировавшие этот заряд, рекомбинировали). Точно такой же, но положительный заряд возникает в слое n из-за ушедших электронов. Область объемных зарядов, имеющую весьма малую концентрацию носителей заряда, называют обедненным слоем. Распределение плотности объемного заряда в переходе при­ведено на рис. 5.2.

Внутри кристалла на границе раздела возникает собственное элект­рическое поле Есобств, направление которого показано на рис. 5.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное из­менение знака объемного заряда (металлургический контакт). На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным. Поле на границе p-n-перехода определяется тепловым потенциалом:

(6.1)

где k=1,38*10-24 Дж/К – постоянная Больцмана; q=1,6*10-19 Кл – заряд электрона; Т – термодинамическая температура. При комнатной температуре =25,5 мВ.

Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-п-переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается. При обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности

потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Вольтамперная характеристика р-n-перехода представляет собой

Рис.5.2

зависимость тока через переход при изменении на нем приложенного напряжения. Если оно снижает потенциальный барьер, то его называют прямым, а если повышает — обратным. Приложение прямого напряжения к p-n-переходу показано на рис. 5.1,б.

При прямом смещении p-n-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя p-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которого они являются неосновными носителями. При этом концентрация неосновных носителей может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Обратный ток через p-n-переход вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника.

Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Итак, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается обр­=Is

При протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную область будет производится инжекция электронов, а из дырочной области будет осуществляться инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

(5.1) (6.2)

где U— напряжение на p-n-переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (5.1) и тока проводимости:

(5.2) (6.3)

Уравнение (5.2) называется уравнением Молла —Эберса, а соответствующая ему вольтамперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 5.3, а. Поскольку при 300 К тепловой потенциал T=25мВ, то уже при U=0,1 В можно считать, что

(6.4)

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной раз­ности потенциалов (0,15-0,2 В для Ge и 0,45-0,65 для Si). Допустимые (предельные) температуры: для Ge – 80-90 °С, для Si – до 120 °С. Об­ратное напряжение ограни­чивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения не основных но­сителей и называется лавин­ным пробоем. При лавинном пробое p-n-перехода ток че­рез переход сильно возрастает при неизменном напряжении на нем, как по­казано на рис. 5.3, а.

Рис. 5.3, а.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямитель­ные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления пе­ременного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов: явле­ние пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивле­нием и др.

Выпрямительные диоды большой мощности называют «силовыми”. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенид галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц.

Основные параметры диодов Uобр, Iпр, Iпр имп, Uотр (см. рис. 5.3,б). Для разных типов выпрямительных диодов обратное напряжение Uобр max лежит в пределах от десятков до нескольких тысяч вольт, средний прямой ток Iпр. ср – в пределах от единиц миллиампер до нескольких десятков ампер, а обратный ток Iобр – от десятков наноампер до сотен миллиампер. Время обратного восстановления диода tвос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно опре­деляется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр на заданное об­ратное напряжение Uобр.

Диоды, предназначенные для работы в импульсном режиме, дополнительно характеризуется максимально допустимым прямым током Iпр имп при заданной длительности импульса (обычно несколько десятков микросекунд). Как правило, этот ток на порядок превосходит средний прямой ток.

Когда обратное напряжение превышает некоторое значение Uобр max, определяемое для каждого типа диода, возникает пробой p-n-перехода: сначала туннельный и лавинный, а потом тепловой. Первые два типа пробоя являются обратимыми, т. е. после снятия напряжения свойства pn-перехода восстанавливаются, а третий тип (необратимый) приводит к порче диода и поэтому недопустим.

Рис. 5.3, б. Вольт-амперная характеристика диода на характеристике нет порога напряжения отпирания , U*, лишний ток Iпр

5.2. Применение выпрямительных диодов.

5.2.1. Силовые выпрямители.

Вентильные преобразователи переменного тока в постоянный называют выпрямителями. Они играют большую роль в технике, так как производство и распределение электрической энергии экономичней организовать на переменном токе, а многие виды устройств (компьютеры, контроллеры, осциллографы, мониторы, аудио-видео техника и т.д.) требуют для своей работы постоянный ток. Именно по этому их часто называют источниками питания.

Выпрямители применяют не только в силовых установках, но и в измеритель­ных и управляющих цепях информационных, вычислительных и управленческих систем.

Напряжение сети переменного тока рассчитано на наиболее экономичную пере­дачу энергии на значительные расстояния и многим потребителям, а последним необходимы весьма разнообразные напряжения питания. Поэтому составной частью выпрямителей являются трансформаторы (понижающие или повышающие), которые с высоким КПД преобразуют напряжение сети в напряжение на входе диодной схемы, которая и преобразует переменное напряжение в требуемое постоянное.

Простейшая схема преобразователя переменного напряжения (рис. 5.4, б) в постоянное (рис. 5.4, в) изображена на рис. 5.4, а. Само преобразование состоит в отсечке пути тока через нагрузку в отрицательный (положи­тельный) полу период вторичного напряжения трансформатора u2 с помощью эле­ментов с односторонней проводимостью — выпрямительных диодов.

Рис. 5.4.

Диод изображен с ошибкой, нет индексов и обозначений на схеме нахождения напряжений

Средний ток через диод равен току нагрузки: Iд. ср.=Iн. Средний допустимый ток должен быть больше тока нагрузки Iср. доп.>Iн. Допустимое напряжение на диоде должно быть при наличии конденсатора фильтра больше в два раза, чем напряжение нагрузки

Uд доп>2Uн. Уменьшения пульсации достигают применением или трехфазного выпрямителя, или включением после диодной схемы элементов, ток (напряжение) в которых не может исчезнуть мгновенно. Эти элементы входят в фильтр, сглаживающий пуль­сации. Фильтр изменяет режим работы вентилей, входящих в диодную схему. Характер этих изменений зависит от того, каким является первый элемент фильтра, индуктивным или емкостным.

Наиболее употребительные схемы однофазных выпрямителей для источников питания электронных схем изображены на рис. 5.5. В схеме на рис. 5.5,а. в тот момент, когда полярность напряжений на трансформаторе такая, как показано без скобок, при напряжении u21, большем напряжения на конденсаторе (рис. 5.5, б), диод Д1 откроется, а диод Д2 будет закрыт, поскольку u22 < 0 и к нему приклады­вается обратное напряжение, равное u22+Uн. Конденсатор начнет заряжаться (рис. 5.5,в), и напряжение на нем и на нагрузке увеличится. Оно будет несколько меньше u21 из-за падения напряжения в цепи заряда конденсатора на активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора, сопротивлении соединительных проводов и диоде. Таким образом, ток, заряжающий конденсатор, идет только во время части полупериода, т, е. яв­ляется импульсным (рис. 5.5,а).

Диод Д1 закроется после того, как напряжение u21 станет меньше Uн. В это время закрытыми диодами нагрузка отделяется от трансформатора, и конденсатор начинает разряжаться, но благодаря большой емко­сти достигается малое уменьшение напряжения на конденсаторе и на на­грузке (рис. 5.5, в).

При смене полярности напряжения на трансфор­маторе на указанную в скобках диод Д1 будет все время закрыт напряжением u21+Uн, а второй диод откроется , подсоединив вторичную обмотку трансформатора к нагрузке, когда u22>Uн и процесс заряда конденсатора повторится.

Напряжение на нагрузке все-таки остается пульсирующем, хотя и в меньшей степени. Оно содержит постоянную составляющую и четные гармоники напряжения сети. Качество выпрямленного напряжения принято оценивать с помощью коэффициента пульсации, который представляет собой отношение действующего значения всех переменных составляющих напряжения (тока) к постоянной составляющей,

(5.3) (7.1)

обычно добиваются малого kп, поэтому чаще всего достаточно в выражении (5.3) учесть только первое слагаемое под корнем, т. е. kп=Uн2/Uн0.

При наличии конденса­тора напряжение Uн0 близко к амплитуде напряжения вторичной обмотки U2m=U2 в режиме холостого хода.

Обратное напряжение диодов Uобр приближается к двойной амплитуде вторичного напряжения.

Рис. 5.5.

Основные параметры двухполупериодного выпрямителя:

Uобр. доп.2UН , Iср. доп.>IН­/2, Iимп. макс.Iн *Q.

В однофазном мостовом выпрямителе (рис. 5.6) наблюдаются аналогичные процессы. Ток сначала проходит через первый и второй диоды, а потом через третий и четвертый. Причем к паре диодов, находящихся в закрытом состоянии, приклады­вается напряжение, в два раза меньшее, чем в предыдущем случае, т. е.

Uобр= (7.2)

Преимуществом мостовой схемы по сравнению с предыдущей является более простой трансформатор и меньшее обратное напряжение диодов, что иногда компенсирует увеличение числа диодов.

Рис. 5.6. Ошибка при начертании диодов

Для упрощения сборки и уменьшения габа­ритов выпрямителей в настоящее время промышленностью выпускаются блоки из четырех диодов, соединенных по мостовой схеме. Указан­ные обстоятельства являются причиной более широкого применения мостовой схемы на практике. Основные характеристики мостового двухполупериодного выпрямителя:

Uобр. доп.1.1*UН, Icр.диод.>IН/2, Iимп. макс.IН*Q, .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *