Устройство диода полупроводникового – Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

1.Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики:

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ
ДИОД

— полупроводниковый прибор с двумя
электродами, обладающий односторонней
проводимостью. К полупроводниковым
диодам относят обширную группу приборов
с p-n-переходом, контактом металл —
полупроводник и др. Наиболее распространены
электропреобразовательные полупроводниковые
диоды. Служат для преобразования и
генерирования электрических колебаний.
Один из основных современных электронных
приборов. 

Принцип
действия полупроводникового диода

В
основе принципа действия полупроводникового
диода — свойства электронно-дырочного
перехода, в частности, сильная асимметрия
вольт-амперной характеристики относительно
нуля. Таким образом различают прямое и
обратное включение. В прямом включении
диод обладает малым электросопротивлением
и хорошо проводит электрический ток. В
обратном — при напряжении меньше
напряжения пробоя сопротивление очень
велико и ток перекрыт.

Характеристики:

2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, вах:

Прямое
и обратное включение:

При
прямом включении

p-n-перехода внешнее напряжение создает
в переходе поле, которое противоположно
по направлению внутреннему диффузионному
полю. Напряженность результирующего
поля падает, что сопровождается сужением
запирающего слоя. В результате этого
большое количество основных носителей
зарядов получает возможность диффузионно
переходить в соседнюю область (ток
дрейфа при этом не изменяется, поскольку
он зависит от количества неосновных
носителей, появляющихся на границах
перехода), т.е. через переход будет
протекать результирующий ток, определяемый
в основном диффузионной составляющей.
Диффузионный ток зависит от высоты
потенциального барьера и по мере его
снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная
диффузия носителей зарядов через переход
привод к повышению концентрации дырок
в области n-типа и электронов в области
p-типа. Такое повышение концентрации
неосновных носителей вследствие влияния
внешнего напряжения, приложенного к
переходу, называется инжекцией неосновных
носителей. Неравновесные неосновные
носители диффундируют вглубь полупроводника
и нарушают его электронейтральность.
Восстановление нейтрального состояния
полупроводника происходит за счет
поступления носителей зарядов от
внешнего источника. Это является причиной
возникновения тока во внешней цепи,
называемого прямым.

При
включении p-n-перехода в обратном
направлении

внешнее обратное напряжение создает
электрическое поле, совпадающее по
направлению с диффузионным, что приводит
к росту потенциального барьера и
увеличению ширины запирающего слоя.
Все это уменьшает диффузионные токи
основных носителей. Для неосновных
носителе поле в p-n-переходе остается
ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не
изменяется.

Таким
образом, через переход будет протекать
результирующий ток, определяемый в
основном током дрейфа неосновных
носителей. Поскольку количество
дрейфующих неосновных носителей не
зависит от приложенного напряжения
(оно влияет только на их скорость), то
при увеличении обратного напряжения
ток через переход стремиться к предельному
значению IS , которое называется током
насыщения. Чем больше концентрация
примесей доноров и акцепторов, тем
меньше ток насыщения, а с увеличением
температуры ток насыщения растет по
экспоненциальному закону.

ВАХ:

На
графике изображены ВАХ для прямого и
обратного включения диода. Ещё говорят,
прямая и обратная ветвь вольт-амперной
характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр)
отображает характеристики диода при
прямом включении (то есть когда на анод
подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр
и Uобр) отображает характеристики диода
при обратном включении (то есть когда
на анод подаётся «минус»).

Синяя
толстая линия – это характеристика
германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая
линия – характеристика кремниевого
(Si) диода. На рисунке не указаны единицы
измерения для осей тока и напряжения,
так как они зависят от конкретной марки
диода.

Для
начала определим, как и для любой плоской
системы координат, четыре координатных
угла (квадранта). Напомню, что первым
считается квадрант, который находится
справа вверху (то есть там, где у нас
буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются
против часовой стрелки.

Итак,
II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это
потому, что мы можем включить диод только
двумя способами – в прямом или в обратном
направлении. Невозможна ситуация, когда,
например, через диод протекает обратный
ток и одновременно он включен в прямом
направлении, или, иными словами, невозможно
на один вывод одновременно подать и
«плюс» и «минус». Точнее, это возможно,
но тогда это будет короткое замыкание.
Остаётся рассмотреть только два случая
– прямое включение диодаиобратное
включение диода
.

График
прямого включения нарисован в первом
квадранте. Отсюда видно, что чем больше
напряжение, тем больше ток. Причём до
какого-то момента напряжение растёт
быстрее, чем ток. Но затем наступает
перелом, и напряжение почти не меняется,
а ток начинает расти. Для большинства
диодов этот перелом наступает в диапазоне
0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят,
«падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть
падение напряжения на диоде. Медленный
рост тока до напряжения 0,5…1В означает,
что на этом участке ток через диод
практически не идёт даже в прямом
направлении.

График
обратного включения нарисован в третьем
квадранте. Отсюда видно, что на значительном
участке ток почти не изменяется, а затем
увеличивается лавинообразно. Если
увеличить, напряжение, например, до
нескольких сотен вольт, то это высокое
напряжение «пробьёт» диод, и ток через
диод будет течь. Вот только «пробой» —
это процесс необратимый (для диодов).
То есть такой «пробой» приведет к
выгоранию диода и он либо вообще
перестанет пропускать ток в любом
направлении, либо наоборот – будет
пропускать ток во всех направлениях.

В
характеристиках конкретных диодов
всегда указывается максимальное обратное
напряжение – то есть напряжение, которое
может выдержать диод без «пробоя» при
включении в обратном направлении. Это
нужно обязательно учитывать при
разработке устройств, где применяются
диоды.

Сравнивая
характеристики кремниевого и германиевого
диодов, можно сделать вывод, что в
p-n-переходах кремниевого диода прямой
и обратный токи меньше, чем в германиевом
диоде (при одинаковых значениях напряжения
на выводах). Это связано с тем, что у
кремния больше ширина запрещённой зоны
и для перехода электронов из валентной
зоны в зону проводимости им необходимо
сообщить большую дополнительную энергию.

studfiles.net

Диод характеристика и применение. Работа полупроводникового диода. Применение диода.

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p), а другой – электронной (n) электропроводностью. Обозначение диода на электронных схемах представлено на рис 4.

Рис. 4 Изображение диода на схемах
Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе раздела p- и n-слоев, в так называемом электронно-дырочном переходе. Электронно-дырочный переход обладает нессиметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов основана на свойствах одного или нескольких p-n-переходов.

Рис. 5 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения
Допустим, внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеют собственные скорости, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Как и при любой другой диффузии носители перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация меньше. Таким образом, из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении — дырки. Соответственно, на рисунке 1 светлые кружки со стрелками дырки, темные — электроны. Кружки побольше обозначают атомы акцепторной и донорной примеси, соответственно заряженные отрицательно и положительно.
В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды обоих знаков. В области n создается положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени — пришедшими в эту область дырками. Аналогично в области p.
Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов uk= ?n — ?p и электрическое поле (вектор напряженности Ek). На том же рисунке изображена потенциальная диаграмма. На этой диаграмме, показывающей распределение потенциала вдоль оси x, перпендикулярной плоскости раздела двух полупроводников, за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя.
Следует отметить, что объемные заряды возникают вблизи границы n- и p-областей, а положительный потенциал ?n или отрицательный потенциал ?p создается одинаковым по всей области n или p. Если бы в различных частях области потенциал был различным, т. е. была бы разность потенциалов, то возник бы ток, в результате которого все равно произошло бы выравнивание потенциала в данной области.
Как видно, в p-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. На рис. 5 изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться слева направо (из области n в область p).
Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, и увеличивается контактная разность потенциалов uk, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина p-n-перехода d уменьшается, так как соответствующие заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.
Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в p-область и аналогично электроны из p-области обратно в n-область. При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Ежесекундно через границу в противоположных направлениях перемещаются электроны и дырки, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.
Полный ток через переход при динамическом равновесии равен нулю, так как диффузионный ток и ток дрейфа компенсируют друг друга. Если диффузионный ток возрастет, то через переход будет диффундировать больше носителей. Это вызовет увеличение объемных зарядов и потенциала по обе стороны границы. Значение uk возрастет, т. е. усилится электрическое поле в переходе и повысится потенциальный барьер. Но усиление поля вызовет соответствующее увеличение тока дрейфа, т. е. обратного перемещения носителей. Пока диффузионный ток больше тока дрейфа высота барьера растет, но в конце концов за счет увеличения тока дрейфа наступит равенство токов и дальнейшее повышения барьера прекратится.
Таким образом, в p-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов n- и p-полупроводников.

Рис. 6 Электронно-дырочный переход при прямом напряжении
Электрическое поле, создаваемое в p-n-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами Eк и Eпр. Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, т. к. он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на p-n-переход из p- и n-областей. Если пренебречь падением напряжения на сопротивлении областей n и p, то напряжение на переходе можно считать равным uк — uпр. Для сравнения на рис. 6 штриховой линией показана потенциальная диаграмма при отсутствии внешнего напряжения.
Как известно, в этом случае ток дрейфа и диффузионный ток компенсируют друг друга. При прямом напряжении диффузионный ток становится больше тока дрейфа и поэтому полный ток через переход , т. е. прямой ток, уже не равен нулю.
Если барьер значительно понижен, то iдиф>>iдр и можно считать, что iпр?iдиф, т. е. прямой ток в переходе является чисто диффузионным.
При прямом напряжении не только уменьшается потенциальный барьер, но уменьшается толщина запирающего слоя (dпр
Рис. 7 Электронно-дырочный переход при обратном напряжении
Под действием обратного напряжения uобр через переход протекает очень небольшой обратный ток iобр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рис. 4 это показывают одинаковые направления векторов Eк и Eобр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна uк+uобр. Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т. е. iдиф=0, т. к. собственные скорости носителей недостаточны для преодоление барьера. А ток проводимости остается практически неизменным, поскольку он определяется главным образом число неосновных носителей, попадающих на p-n-переход из n- и p-областей.
Таким образом, обратный ток iобр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев вглубь из n- и p-областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (dобр>Rпр.
Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это связано с тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается.
Посмотрим, как устанавливается обратный ток при включении обратного напряжения. Сначала возникает переходный процесс, связанный с движением основных носителей. Электроны в n-области движутся по направлению к положительному полюсу источника, т. е. удаляются от p-n-перехода. А в p-области, удаляясь от перехода, движутся дырки. У отрицательного электрода они рекомбинируют с электронами, которые приходят из проводника, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника.
Поскольку из n-области уходят электроны, она заряжается положительно, так как в ней остаются положительно заряженные атомы донорной примеси. Подобно этому p-область заряжается отрицательно, т. к. дырки заполняются пришедшими электронами и в ней остаются отрицательно заряженные атомы акцепторной примеси. Рассмотренное движение основных носителей в противоположные стороны продолжается лишь малый промежуток времени. По обе стороны p-n-перехода возникают два разноименных объемных заряда, и вся система становится аналогичной заряженному конденсатору с диэлектриком, в котором имеется значительный ток утечки (его роль играет обратный ток). Но ток утечки конденсатора в соответствии с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а обратный ток p-n-перехода сравнительно мало зависит от напряжения.
В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды.
У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.
Точечные диоды имеют малую емкость перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах, вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и, соответственно, их применяют на частотах не выше десятков килогерц, а допустимый ток бывает до сотен ампер. На рисунке представлена конструкция точечных и плоскостных диодов.

Рис. 8 Принцип устройства точечного диода

Рис. 9 Принцип устройства плоскостных германиевых диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным методом(б)
Диоды бывают различного назначения.
Выпрямительные диоды. Как видно из названия их основное предназначение — выпрямление переменного тока (напряжения). Процесс этот весьма важен в радиоэлектронике, поскольку питание практически всех устройств осуществляется постоянным напряжением. Для переменного напряжения характерно изменение полярности с плюса на минус во времени по определенному закону. Рассмотрим выпрямление переменного тока упрощенно.
Наглядно это показано на рисунке (начальная фаза равна нулю).

Рис. 9 Обобщенный вид переменного напряжения
Поскольку диод обладает однонаправленными свойствами, т. е. пропускает ток только в одном направлении, соответственно, положительные полуволны входного напряжения будут проходить через диод, отрицательные — нет. В данном случае при отрицательной полуволне диод оказывается включенным при обратном напряжении. Весь процесс выглядит примерно так:

Рис. 10 Процесс выпрямления напряжения
На второй части графика небольшое отрицательное напряжение есть не что иное, как воздействие обратного тока, но этим можно пренебречь. Таким образом, на нагрузке выделяются только положительные полуволны входного переменного напряжения. Соответственно, задача выпрямителя состоит в преобразовании переменного напряжения в однонаправленное пульсирующее. Самая простая схема выглядит так:

Рис. 11 Простейшая схема выпрямителя
Для того, чтобы на нагрузке не было таких пульсаций, параллельно резистору ставят конденсатор большой емкости. Потом стабилизатор и так далее. Об этом потом.
Широко распространены низкочастотные выпрямительные диоды, предназначенные для работы на частотах до нескольких килогерц. НЧ диоды являются плоскостными, изготавливаются из германия или кремния и делятся на диоды малой, средней и большой мощности.
Для выпрямления высоких напряжений, например, несколько киловольт, выпускают кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпусах, залитых изолирующей смолой. Эти диоды рассчитаны на обратное напряжение в несколько киловольт и ток в несколько миллиампер. Вообще же, главной характеристикой выпрямительных диодов является допустимое обратное напряжение, поскольку, как было указано выше, отрицательные полуволны переменного напряжения являются для диода обратным напряжением, поэтому, если неправильно подобрать диод по обратному напряжению, может возникнуть пробой и диод выйдет из строя.
Выпрямительные точечные диоды широко применяются на высоких частотах, иногда на СВЧ, хотя успешно работают на низких частотах. Эти диоды работают во многих устройствах, поэтому их называют еще универсальными. Естественно, для таких диодов характерен небольшой прямой ток, в отличие от плоскостных (всего до сотен миллиампер).
Импульсные диоды. При работе диода в импульсном режиме для него характерны некоторые особенности. Ну, например, диод включен в цепь импульсного напряжения с длительностью импульсов в несколько микросекунд. Положительные импульсы проходят через диод, при этом прямым сопротивлением диода мы пренебрегаем. Когда полярность напряжения на диоде меняется на противоположную, диод закрывается не сразу, а в течении некоторого времени, за которое через переход протекает обратный ток, значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме. Основной причиной возникновения обратного тока является разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в p- и n-областях. Поскольку концентрации примесей в этих областях весьма различны, то практически импульс обратного тока создается рассасыванием заряда, накопленного в базе, т. е. в области с относительно малой проводимостью.
Стабилитроны. При рассмотрении вольт-амперной характеристики полупроводникового диода видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. На рисунке показана ВАХ стабилитрона.

Рис. 12 Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Из рисунка видно, что при обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении. Принцип работы поясняет простейшая схема включения стабилитрона. Эта схема называется параметрическим стабилизатором напряжения и несмотря на свою простоту используется довольно широко. Такая схема позволяет получить ток в нагрузке в несколько миллиампер.

Рис. 13 Схема включения стабилитрона
Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором Rогр, которое еще называют балластным. Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно и на нагрузке, будет оставаться постоянным.
Следует отметить, что если имеют место пульсации входного напряжения, то стабилитрон неплохо сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току.
Стабисторы. Это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов — отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН.
Варикапы. Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Другими словами, варикап — это конденсатор переменной емкости, управляемый не механически, а электрически.
Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специальных схемах, например, в так называемых параметрических усилителях. Вот простейшая схемка включения варикапа в колебательный контур:

Рис. 14 Схема включения варикапа в колебательный контур
Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно менять резонансную частоту контура. Добавочный резистор R1 с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Конденсатор Cр является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L.
В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопротивление очень велико.
Мы рассмотрели основные типы полупроводниковых диодов. Существуют еще и туннельные диоды, диоды Ганна, фотодиоды и пр.

morez.ru

Устройство диода

В электротехнике одним из электронных приборов, получивших широкое применение, является диод. Он оборудован двумя электродами и обладает переменным сопротивлением. Если ток передается в одну сторону, то в этом случае сопротивление будет низким. Когда передача тока производится в противоположную сторону – сопротивление возрастает и становится высоким.

Получается, что в первом случае прохождение тока осуществляется без каких-либо проблем, а во втором случае из-за увеличивающегося сопротивления происходят потери тока и мощности. Кроме того, наблюдается сильный нагрев диода. Чтобы понять как работает диод, необходимо знать хотя-бы в общих чертах его устройство.

Конструкция диода

Диоды разделяются на несколько категорий. Они могут быть газоразрядными, электровакуумными и полупроводниковыми, которые получили наибольшее распространение. Разные диоды используются одновременно в единой связке, благодаря чему становится возможным преобразование переменного тока в постоянный ток. Эти свойства широко используются в полупроводниковых и прочих приборах.

Основными конструктивными элементами полупроводникового диода являются пластинки, изготовленные из специфических полупроводниковых материалов. Чаще всего, для этого используется германий или кремний. На одной стороне пластинки наблюдается проводимость р-типа, при которой осуществляется прием электронов. Эта проводимость называется дырочной. Она призвана заполнить искусственно создаваемый недостаток электронов. Другая сторона пластинки имеет электропроводимость п-типа или электронную, при которой отдаются избыточные электроны.

Между обеими сторонами пластинки существует слой, называемый р-п переходом. Во всех полупроводниках р-тип выступает в качестве анода, а п-тип служит катодом или отрицательным электродом прибора.

Особенности электровакуумных диодов

Электровакуумные диоды получили название ламповых диодов. Если рассматривать устройство диода этого типа, то, прежде всего, это лампа с расположенными внутри двумя электродами. На одном из электродов расположена нить накаливания, которая подогревает его и способствует созданию магнитного поля.

Во время разогрева происходит отделение электронов от катода с последующим их перемещением в сторону анода. Это движение возникает именно из-за образования электрического магнитного поля. При изменении полярности или направлении тока в противоположную сторону, движение электроном прекратится, поскольку в аноде отсутствует нить накаливания. Поэтому, данный вид диодов наиболее часто используется в стабилизаторах и выпрямителях, при наличии высоковольтных составляющих.

Маркировка диодов — https://electric-220.ru/news/markirovka_diodov_sistema_oboznachenij/2014-09-06-688

Как работает диод

electric-220.ru

1. Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики полупроводниковый диод

1.Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики:

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл — полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. 

Принцип действия полупроводникового диода
В основе принципа действия полупроводникового диода — свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном — при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт.

Характеристики:

2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, ВАХ:

Прямое и обратное включение:

При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

ВАХ:

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

Синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание. Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода и обратное включение диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» — это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.

3. Полупроводниковые диоды, классификация по конструктивным особенностям и области применения:

Классификация полупроводниковых диодов:

По исходному полупроводниковому материалу диоды делятся на две основные группы: германиевые и кремниевые. Первые работают при температурах не выше +70°С, а вторые – до +125-150°С.

По конструктивно-технологическому признаку также различают две разновидности диодов: точечные и плоскостные. У точечных диодов выпрямляющий контакт образуется в точке касания полупроводниковой пластинки острием металлической иглы, причем пропускное направление соответствует прохождению тока от иглы к пластинке. У плоскостных диодов выпрямляющими свойствами обладает поверхность раздела двух областей полупроводника с разными типами проводимости (дырочной p и электронной n) внутри монокристаллического объема полупроводника (p-n переход). Наиболее распространенными плоскостными диодами являются так называемые сплавные, у которых p-n переход образуется в результате рекристаллизации сплава исходного полупроводника с помещенной на его поверхности таблеткой примесного вещества.

Сплавные диоды позволяют пропускать значительно большие токи и отличаются лучшим постоянством характеристик, но обладают повышенными емкостями, что ограничивает их применение на высоких частотах. Промежуточными свойствами обладают микросплавные диоды. Они изготавливаются путем электролитического осаждения тонкой пленки примесного вещества на поверхность монокристаллической пластинки исходного полупроводника и последующего вплавления этой примеси.

Области применения:

По областям применения различают диоды универсального назначения, силовые выпрямительные диоды, стабилизаторы напряжения («опорные» диоды) и ряд разновидностей диодов специализированного назначения (смесительные и модуляторные диоды, диоды для умножения частоты, для параметрических усилителей и др.). Выпускаются также высоковольтные выпрямительные столбы, состоящие из нескольких однотипных диодов, включенных последовательно.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность. 

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками) , не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою. 

В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов. 
4. Биполярные транзисторы, принцип действия:

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип действия:

Принцип работы похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
Между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы.
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки». 

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

5. Биполярные транзисторы, распределение токов в кристалле:

Свойства транзисторов и их характеристики в значительной мере определяются процессами переноса носителей заряда от эмиттера к коллектору, которые в свою очередь, зависят от закона распределения примесей в базе.

В равновесном состоянии во всех областях транзистора устанавливается концентрация носителей в соответствии с законом действующих масс np = n2i. Концентрация неосновных носителей каждой области определяют по степени её легирования. Обычно концентрация примесей в базовой области бездрейфового транзистора на два-три порядка меньше, чем в областях эмиттера и коллектора.

Приложение напряжения смещения на p-n переход меняет концентрацию неосновных носителей заряда на границе соседних областей. Причем при прямом смещении концентрация неосновных носителей растёт, а при обратном — падает. Аналогично меняется концентрация основных носителей в областях транзисторов возле границы p-n переходов.

В транзисторе возможны четыре комбинации знаков напряжения, которые подаются на эмиттерный и коллекторный переходы (на диаграмме ниже). В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:

  • режим отсечки — оба перехода смещены в обратном направлении;
  • режим насыщения — оба перехода смещено в прямом направлении;
  • активный нормальный режим (режим усиления) — эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный в обратном направлениях;
  • активный инверсный режим — коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный в обратном направлении.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный p-n переходы смещены в прямом направлении. Через оба перехода в базу инжектируются неосновные носители, концентрация которых значительно превышает равновесную. Это приводит к к интенсивной рекомбинации, которая вызывает поступление электронов в базу через внешний вывод. Характер распределения дырок в базе определяется напряжениями смещения p-n переходов. В режиме насыщения нет возможности управления токами транзистора.

В активном нормальном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный — в обратном. Через эмиттерный переход в базу инжектируются дырки, а из базы в эмиттер — электроны. Далее под действием градиента концентрации диффузируют в сторону коллектора и частично рекомбинируют в базе. Достигши коллекторного перехода, дырки подхватываются его полем и перебрасываются в область коллектора, где движутся к омическому контакту и создают коллекторный ток.

Одновременно из коллектора в базу дрейфуют электроны, где они частично компенсируют избыточный заряд дырок, а частично рекомбинируют. Количество электронов, которых не хватает для компенсации заряда дырок, поступают в базу от источника через базовый вывод. Следует отметить, что в ряде случаев, например, с уменьшением диффузии дырок, в базе появляется избыточный заряд электронов и они будут вытекать через внешний электрод. Электроны поступают или выбывают таким образом, что в базе всегда сохраняется электронейтральность.

Уровень рекомбинации дырок определяется временем их пребывания в базе, то есть зависит от её длины. По этому для уменьшения уровня рекомбинации толщина базы должна быть значительно меньше чем диффузная длина дырок (WБp).

В инверсном режиме эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. При этом роль инжекторного выполняет коллекторный переход, а собирательно — эмиттерный. Если площади эмиттерного и коллекторного переходов одинаковы (симметричные транзисторы), тогда нет никакого принципиального отличия в распределении избыточных носителей, который был в активном режиме. На практике, за исключением специальных случаев, площадь коллекторного перехода формируют больше чем площадь эмиттерного перехода (несимметричные транзисторы), что необходимо для эффективного собирания коллектором носителей, которые инжектируются эмиттером. По этому в инверсном режиме в таких транзисторах, кроме рекомбинации избыточных носителей в объеме базы, существенную роль играет и поверхностная рекомбинация, вследствие чего эффективность работы транзистора в инверсном режиме оказывается ниже, чем в активном.

6. Биполярные транзисторы, коэффициент инжекции, переноса, передачи тока:

topuch.ru

Полупроводниковый диод |

Начинать осваивать полупроводниковую технику следует с того что необходимо разобраться с основными понятиями типа полупроводник, потенциальный барьер и p-n переход. В этой статье рассказано про некоторые тонкости полупроводниковой техники на примере работы полупроводникового диода.

Полупроводник это:

Полупроводник – это такой материал электрические свойства, которого могут меняться под воздействием внешних факторов. Полупроводник может либо расширять запретную зону и становиться диэлектриком, либо сужать запретную зону ставая проводником. Такие особенности полупроводников нашли успешное применение в современной электроники.

Полупроводниковый диод это:

Полупроводниковый диод (рисунок№1) представляет собой радиоэлектронный компонент (прибор) в основе работы которого лежит один своеобразный электрический переход.

Рисунок №1 – Пример полупроводникового диода

Полупроводниковый диод имеет всего два вывода рисунок №1 катод и анод. А принцип действия полупроводникового диода основывается на так называемом  p-n-переходе рисунок №2.

Рисунок №2 – p-n-переход полупроводникового диода

Как видно из рисунка №2 p-n-переход – это ни что иное как область между двумя разными проводимостями (стык двух полупроводников).

Оставляя законы физики и кучу формул и доказательств не рассмотренными, прежде всего так же следует понять что такое потенциальный барьер, так как именно на этом явлении основывается принцип действия полупроводникового диода и прочих полупроводниковых устройств и элементов.

Потенциальный барьер – образуется в области p-n-перехода, и является пространством разделяющим две другие области с различными (или одинаковыми) потенциальными энергиями. Потенциальный барьер лежит в основе работы полупроводникового диода и в принципе работает как водопроводный клапан. Полупроводниковый диод пропускает носители заряда только в одном направлении рисунок №3.

Рисунок №3 – Иллюстрация работы полупроводникового диода

Говоря по-простому потенциальный в полупроводниковом диоде барьер можно представить горкой. И как видно из рисунка №3 то на горку электрон не может взобраться а с неё он спокойно скатывается – вот как то так, в общих чертах, и работает полупроводниковый диод пропуская ток только в одном направлении.

Обозначение диода на схеме:

Полупроводниковый диод имеет своё особое обозначение в зависимости от типа  принципа действия, а так же работы и электрических особенностей рисунок№4.

Рисунок №4 – Обозначения различных полупроводниковых приборов

Имея представление о принципе действия полупроводникового диода вы сможете без особого труда находить по справочнику необходимый вам тип полупроводникового диода.

P.S.: Я постарался наглядно показать и описать не хитрые советы. Надеюсь, что хоть что-то вам пригодятся. Но это далеко не всё что возможно выдумать, так что дерзайте, и штудируйте сайт http://bip-mip.com/ 

bip-mip.com

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р-n) переход (П), разделяющий р- и n-области кристалла полупроводника (рис. 10.2).

К р- и n-области кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.

По конструктивному выполнению различают точечные и плоскостные диоды. Широкое применение диоды получили в источниках вторичного электропитания (выпрямителях).

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (а следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а вторая, с меньшей концентрацией — базой. Если эмиттером является p-область, для которой основными носителями заряда служат дырки pp, а базой n-область (основные носители заряда — электроны nn), то выполняется условие pp≥nn.

pp — обозначение дырок в p-области; тогда обозначение дырок в n-области, для которой они являются неосновными носителями зарядов, будет соответственно pn.

 

Принцип работы. При отсутствии внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, в результате встречной диффузии дырок (из р- в n-область) и электронов (из n- в р-область) в объеме полупроводникового кристалла, расположенного вблизи границы раздела двух областей с различной проводимостью, окажутся некомпенсированными заряды неподвижных ионов примесей (акцепторов для р-области и доноров для n-области), которые по обе стороны раздела полупроводникового кристалла создадут область объемного заряда (рис. 10.2). Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры количество диффундируемых через р-n-переход основных носителей заряда из одной области должно равняться количеству диффундируемых основных носителей заряда из другой области. С учетом того, что концентрация электронов nn в базе значительно меньше концентрации дырок pp в эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет больше, чем со стороны эмиттера, как это показано на рис. 10.2. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает напряженность Eзар электрического поля, препятствующего дальнейшей встречной диффузии основных носителей зарядов.

Рис. 10.2. Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов р-n-перехода в отсутствие внешнего напряжения

 

Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряд недостаточна, чтобы преодолеть созданный потенциальный барьер.

Если к выводам диода приложить прямое напряжение, как это показано на рис. 10.2, то создаваемая им напряженность Е электрического поля будет противоположна направлению напряженности Eзар объемного заряда и в область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее количество дырок, являющихся не основными для n-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией nn в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что pp≥nn.

Если к выводам диода приложить обратное напряжение (-U), то создаваемая им напряженность (-Е) электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью Eзар объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряжеяностъ электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда: np— из р- в n-область и pn— из n- в р-область, которые и образуют обратный ток p-n-перехода. Количество неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением. Поэтому обратный ток, образованный за счет неосновных носителей, называют тепловым током (I0).

 

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода имеет вид, приведенный на рис. 10.3 (сплошная линия), и описывается выражением

(10.1)

где UД — напряжение на р-n-переходе;

k — постоянная Больцмана; T — абсолютная температура; q — заряд электрона. Выражение (10.1) соответствует ВАХ идеального р-n-перехода и не отражает некоторых свойств реального диода.

При определенном значении напряжения Uобр начинается лавинообразный процесс нарастания тока Iобр, соответствующий электрическому пробою р-n-перехода (отрезок АВ на рис. 10.3). Если в этот момент ток не ограничить, электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока Iобр характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания тока Iобр. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения Uобр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р-n-переход.

Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Характер изменения прямой ветви ВАХ при изменении температуры показан на рис. 10.3. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения (ТКН), °K-1.

Этот коэффициент показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 ̊К при некотором значении прямого тока.

Рис. 10.3. Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

 

Сопротивления и емкости диода. Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, легко определяемыми по ВАХ. Дифференциальное сопротивление численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как тангенс угла наклона касательной в рассматриваемой рабочей точке Е к оси абсцисс (см. рис. 10.3):

 

(10.2)

где ∆U и ∆I- конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки Е; mI и mU — масштабы осей тока и напряжения.

Часто представляют интерес не приращения напряжения и тока в окрестности некоторой заданной точки, а сами напряжение и ток в данном элементе. При этом совершенно безразлично, какова характеристика диода вблизи выбранной рабочей точки. В этом случае удобно пользоваться статическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения на элементе UE к протекающему через него току IE (рис. 10.3). Как видно из рисунка, это сопротивление равно тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:

В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение Rст, может быть меньше или больше значения Rдиф или равно ему. Однако Rст всегда положительно, в то время как Rдиф может быть и отрицательным. У элементов, имеющих линейные ВАХ, статическое и дифференциальное сопротивления равны.

При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода СД, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает диффузионную емкость Сдиф, зарядную (барьерную) емкость Сзар и емкость Ск корпуса диода:

Диффузионная емкость возникает при прямом напряжении диода в приконтактном слое р-n-перехода за счет изменения количества диффундируемых дырок и электронов при изменении прямого напряжения. Зарядная емкость возникает при обратном напряжении и обусловлена изменением объемного заряда.

Значение емкости СД определяется режимом работы диода. При прямом напряжении

при обратном напряжении

Классификация диодов представлена в табл. 10.1.

Таблица 10.1 Классификация диодов

Признак классификации Наименование диода
Площадь перехода Плоскостной
Точечный
Полупроводниковый материал Германиевый
Кремниевый
Из арсенида галлия
Назначение Выпрямительный Импульсный
Сверхвысокочастотный
Стабилитрон (стабистор)
Варикап
Принцип действия Лавинно-пролетный
Туннельный
Диод Шотки
Излучающий
Диод Ганна

 

Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в практике.

 

Выпрямительный диод, условное графическое обозначение которого приведено на рис. 10.4, 1, использует вентильные свойства р-n-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном — разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения Uпр ключ обладает небольшим дифференциальным сопротивлением. Поэтому за счет падения напряжения Uпр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения (Uпр не превышает у германневых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В; часто за величину Uпр для кремниевых диодов принимается напряжение 0,7 В).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

Iпр ср max — максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;

Uобр.доп — допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;

fmax — максимально допустимая частота входного напряжения;

Uпр — значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные Iпр ср max <0,3 A; средней мощности 0,3 A<Iпр ср max <10 A; большой мощности Iпр ср max>10 A.

По частоте: низкочастотные fmax <1000 Гц; высокочастотные fmax >1000 Гц.

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл-полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с р-n-переходом, напряжение Uпр и более высокие частотные характеристики.

 

Импульсный диод — полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий, так же как и выпрямительный диод, при своей работе прямую и обратную ветви ВАХ.

Длительность переходных продресов в диоде (рис. 10.4) обусловлена тем, чтo изменeние направления и значения тока через него при изменении подводимого к нему напряжения не может происходить мгновенно в связи с перезарядом емкости выпрямляющего перехода и инерционными процессами рассасывания инжектированных в базу неосновных носителей заряда. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром — временем восстановления tвос его обратного сопротивления. Время восстановления равно интервалу времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток, который в момент переключения напряжения paвен прямому току, достигнет своего минимального значения.

Рис. 10.4. Переходные процессы в полупроводниковом диоде

 

Поэтому кроме параметров Iпр ср max, Uобр, Uпр характеризующих выпрямительные свойства, для импульсных диодов вводится параметр tвос, характеризующий быстродействие.

Для повышения быстродействия (уменьшения tвос) импульсные диоды изготовляют в виде точечных структур, что обеспечивает минимальную площадь, р-n-перехода, а следовательно, и минимальное значение зарядной емкости Cзар. Одновременно толщину базы делают минимально возможной для достижения минимального времени восстановления диодов.

В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.

 

Сверхвысокочастотный диод (СВЧ-диод) — полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки высокочастотного сигнала (до десятков и сотен ГГц). Сверхвысокочастотные диоды широко применяются при генерации и усилении электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, умножении частоты, модуляции, регулировании и ограничении сигналов и т. д. Типичными представителями данной группы диодов являются смесительные (получение сигнала суммы или разности двух частот), детекторные (выделение постоянной составляющей СВЧ-сигнала) и переключательные (управление уровнем мощности сверхвысокочастотного сигнала) диоды. Условное графическое обозначение импульсных и СВЧ-диодов аналогично обозначению выпрямительных диодов (рис. 10.0, 1).

 

Стабилитрон и стабистор применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Отличие стабилитрона от стабистора заключается в используемой ветви ВАХ для стабилизации напряжения. Как видно из рис. 10.3, ВАХ диода имеет участки АВ и CD, на которых значительному изменению тока соответствует незначительное изменение напряжения при сравнительно линейной их зависимости. Для стабилизации высокого напряжения (>3 В) используют обратную ветвь (участок АВ) ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами. Для стабилизации небольших значений напряжений (< 1 В —например, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами. Условное обозначение стабилитрона и стабистора показано на рис. 10.0, 2.

Стабилитроны и стабисторы изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, а следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а с уменьшением степени легирования кремния — повышается. Соответственно различают низко- и высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В.

К основным параметрам стабилитрона относятся:

Uст — напряжение стабилизации при заданном токе;

Rдиф — дифференциальное сопротивление при заданном токе;

Iст min — минимально допустимый ток стабилизации;

Iст max — максимально допустимый ток стабилизации;

Pmax — максимально допустимая рассеиваемая мощность;

где ∆Uст — отклонение напряжения Uст от номинального значения при изменении температуры в интервале ∆T.

В схемах двуполярной стабилизации напряжения применяется симметричный стабилитрон, условное графическое обозначение которого показано на рис. 10.0, 3.

 

Варикап — полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости Cзар от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 10.5) — зависимость емкости варикапа CВ, состоящей из зарядной емкости и емкости корпуса прибора, от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости CВ может изменяться от единиц до сотен пикофарад.

Рис. 10.5. Вольт-фарадная характеристика варикапа

 

Основными параметрами варикапа являются:

CВ — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;

KС — коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости CВ=f(Uобр)и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (KC=2…20).

Зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости

где ∆CВ/CВ — относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры ∆T окружающей среды.

Условное графическое обозначение варикапа приведено на 10.0, 4.

 

Излучающий диод — полупроводниковый диод, излучающий из области р-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды; диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие, в свою очередь, название ИК-диоды. Принцип действия обеих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Из курса физики известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала.

Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения в лучшем случае приходится 10…20%. Поэтому кпд светодиодов невелик.

Исходными материалами для изготовления ИК-диодов являются арсенид и фосфид галлия. Полная мощность излучения этой группы диодов лежит в пределах от единиц до сотен милливатт при напряжении на диоде 1,2…3 В и прямом токе от десятков до сотен миллиампер.

Условное графическое обозначение излучающих диодов показано на рис. 10.0, 5.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды — в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.

 

Похожие статьи:

poznayka.org