Студопедия
Новини освіти і науки:
Контакти
 


Тлумачний словник






НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

 

Напівпровідниковим діодом називається електроперетворюваль­ний прилад з одним p-n-переходом і двома зовнішніми виводами від областей кристала з провідностями різного виду. Саме p-n-перехід визначає властивості, технічні характеристики та параметри будь-яко­го напівпровідникового діода. Корпус діода, в якому міститься кристал напівпровідника з p-n-переходом, а також інші конструктивні еле­менти для закріплення кристала в корпусі забезпечують експлуатаційні характеристики діода стійкість при дії нагрівання, вологи, ударних та вібраційних навантажень тощо.

За конструктивно-технологічним принципом діоди, як і р-n-пе­реходи, поділяються на площинні й точкові. Найбільш поширені пло­щинні діоди. Точкові діоди, які мають малу ємність p-n-переходу, використовуються лише в надвисокочастотному діапазоні, але при малих струмах.

Напівпровідникові діоди знаходять широке застосування при роз­в'язанні схемотехнічних питань усіх напрямків промислової електро­ніки. Малі маси та габарити, високий опір зворотному і малий опір прямому струму, висока швидкодія дозволяють застосовувати їх прак­тично в будь-яких виробах сучасної електронної техніки. За призна­ченням напівпровідникові діоди поділяють на випрямні, високочастотні та надвисокочастотні, імпульсні, опорні (стабілітрони), чотиришарові перемикаючі, фотодіоди, світлодіоди та ін.

Випрямні діоди. Найчастіше випрямні діоди застосовують як ви­прямлячі змінного струму низької частоти 50-100000 Гц. Крім цього, випрямні діоди широко використовують у схемах керування та комутації для обмеження паразитних викидів напруг у колах з індук­тивними елементами, як елементи розв'язки в електричних колах та ін.

В залежності від початкового напівпровідникового матеріалу діо­ди підрозділяють на дві групи: германієві та кремнієві. Останні одер­жали найбільшого поширення, оскільки мають у багато разів менші зворотні струми і більші зворотні напруги порівняно з германієвими діодами, які доцільно застосовувати при низьких напругах, оскільки при



Интернет реклама УБС

Рис. 1.7

однакових струмах спад напруги на германієвому діоді, зміщено­му в прямому напрямі, менший, ніж на кремнієвому діоді.

Основою випрямного діода є напівпровідниковий кристал, в якому методом сплавлення або дифузії сформований р-n-перехід. Область діодів з низькою концентрацією домішковим атомів має звичайно електронну провідність (провідність n-типу) і її називають базою. Товщина бази значно більша за товщину високолегованої області з дірковою провідністю (провідністю p-типу), яка межує з базою і яку називають емітером. Монокристал з p-n-переходом вміщують у металевий або коваровий корпус з двома зовнішніми виводами від емітера і бази (відповідно від анода і катода). Це забезпечує захист p-n-переходу від впливу атмосфери. Конструкція випрямного діода се­редньої потужності показана на рис. 1.7, а, а його умовне позначення і вольт-амперна характеристика - на рис. 1.7, б.

З порівняння вольт-амперних характеристик реального діода і p-n-переходу (див. рис. 1.6) можна зробити висновок про адекват­ність цих характеристик. Пряма і зворотна вітки вольт-амперної ха­рактеристики діода приблизно описуються рівняннями (1.2) та (1.3). 3 врахуванням опору базової області rв точний вираз, що описує пря­му вітку вольт-амперної характеристики діода, можна навести у ви­гляді

iA = I0 {exp [(UA – iArB)/φт] - 1} (1.4)

звідки визначимо диференційний опір у будь-якій точці прямої вітки характеристики

RД = dUА/dіА = φт/(іА + I0) + rв. (1.5)

Оскільки φт малий, то вже при невеликому прямому струмі ви­конується нерівність φт/(іА + I0)<<rв і опір діода визнається лі­нійним опором бази rв. Тому при невеликому прямому струмі (приблизно іF ≈ 100 мА) експоненційна залежність прямого струму переходить у лінійну, що є основною робочою ділянкою характеристики.

Основними параметрами випрямних діодів, що характеризують їх роботу у випрямних схемах, є: середнє за період значення випрямленого струму IFАV, який може тривалий час протікати через діод за припустимого його нагрівання; середнє за період значення прямої напруги UFАV, яке однозначно знаходять з вольт-амперної ха­рактеристики при заданому значенні IFАV; середнє за період значен­ня зворотного струму IFRV при заданому значенні зворотної напру­ги UR; гранична частота fmах діапазону, в межах якого струм ді­ода не зменшується нижче заданого значення.

Важливе значення мають також параметри граничного електричного режиму випрямного діода, а саме: максимально допустима постійна зворотна наруга URmах, яку довгочасно витримує діод, зберігаючи нормальну роботу; максимально допустимий постійний прямий струм IF(О V) діода.

Випрямні діоди підрозділяють на діоди малої потужності (IFАV 0,3 А), середньої потужності (0,3 А ≤ IFАV ≤ 10 А) і великої потужності (IFАV > 10 А). Останні називають силовими і позна­чають буквою В.

Рис. 1.8

Досить часто на практиці застосовують групове вмикання діодів. Так, при відсутності високовольтного діода можна послідовно ввімкнути декілька низьковольтних зразків (на рис. 1.8, а показано послідовне з'єднання трьох діодів, сумарна допустима зворотна напруга яких 3URmах перевищує зворотну напругу, що діє в розглянутому електричному колі). Для ліквідації нерівномірності роз­поділу зворотної напруги між послі­довно з'єднаними діодами останні шунтують опорами Rш= 1 ... 10 кОм, які забезпечують стійкий рівномірний розподіл зворотної напруги як в часі, так і зі зміною температури.

Якщо прямий струм в електричному колі перевищує значення, допустиме для одного діода, то рекомендується застосувати паралельне ввімкнення діодів (рис. 1.8,б). Однак внаслідок неідентичності прямих віток вольт-амперних характеристик випрямних діодів навіть одного типу струм, що протікає через одну з паралельних віток, може значно перевищувати струми, що протікають в інших вітках паралельного з’єднання діодів. При цьому один з діодів перегрівається, його пробив­на напруга знижується, що викликає подальший розігрів діода за рахунок збільшення зворотного струму, і діод виходить з ладу. Таким чином, паралельне з’єднання діодів допустиме лише в тому випадку, коли в кожну вітку послідовно з діодом ввімкнений додатковий опір RД, що становить одиниці або частини ома.

У наш час серійно випускається велика номенклатура випрямних стовпів та блоків, що вміщують в одному корпусі сукупності діодів або закінчені схеми випрямлячів.

Рис. 1.9

Відповідним з’єднанням зовнішніх ви­водів можна вмикати діоди паралельно або послідовно, створювати схеми мостових однофазних і трифазних випрямлячів та ін.

Високочастотні діоди - це напівпровідникові прилади універсаль­ного призначення. Їх застосовують в тих самих електронних пристро­ях, що й випрямні діоди, однак при меншому електричному наван­таженні, а також в модуляторах, детекторах, перетворювачах частоти й інших нелінійних перетворювачах електричних сигналів. Випрямля­чі змінного струму, в яких використовують високочастотні діоди, пра­цюють в широкому діапазоні частот (до кількох сотень мегагерц).

У ранніх розробках вони мали точкові р-n-переходи, в зв'язку з чим до нашого часу за ними збереглася назва точкові. Однак із впровадженням електрохімічного методу виготовлення p-n-переходів ши­рокого застосування набули мікросплавні високочастотні напівпровід­никові діоди з p-n-переходами площинного типу дуже малих розмірів.

Порівняно з точковими мікросплавні діоди мають більші допустимі струми і кращі характеристики при зворотному ввімкненні.

Конструкцію типового високочастотного діода показано на рис. 1.9, а, а його умовне графічне позначення і вольт-амперну характе­ристику - на рис. 1.9, б. Пряма вітка вольт-амперної характеристи­ки високочастотного діода не відрізняється від відповідної вітки ха­рактеристики випрямного діода (див. рис. 1.7, б). Однак в зворотній вітці характеристики внаслідок малої площі p-n-переходу ділянка насичення відсутня, і зворотний струм з ростом напруги рівномірно зростає за рахунок струмів витоку і термогенерації. Постійний прямий струм точкових діодів не перевищує 50 мА, а допустима постійна зворотна напруга становить 150 В. Для мікросплавних діодів ці парамет­ри мають більші значення.

Одним з основних параметрів високочастотних діодів є статична ємність СД між зовнішніми виводами, яка визначається бар’єрною ємністю p-n-переходу

(1.5)

де ε – відносна діелектрична проникність; ε0 – діелектрична проникність вакууму; Nд - концентрація домішки n-типу; S – площа p-n-переходу; URзворотна напруга.

Рис. 1.10

Чим менше значення Сд, тим ширший діапазон робочих частот діо­да. Звичайно Сд≤1 пФ. Інші параметри високочастотних діодів такі самі, як у випрямних.

У діапазоні підвищених частот необхідно враховувати інерційність діода, пов'язану з накопиченням заряду в області бази і емітера по­близу p-n-переходу. Інерційність діода, а також ємність на дуже високих частотах роблять сумірними амплітуди прямого і зворотно­го струмів робочих сигналів, і діод втрачає властивість односторонньої провідності. За частотними властивостями високочастотні діоди поділяють на дві групи: 1) f mах ≤ 100 МГц; 2) 300 МГц ≤ f mах ≤ 1000 МГц. На більш високих частотах використовують НВЧ-діо­ди з дуже малим радіусом точкового контакту (2-3 мкм).

Імпульсні діоди використовують як ключові елементи в пристро­ях імпульсної техніки. Конструкція імпульсних діодів та їх вольт-амперні характеристики такі, як і у високочастотних діодів (рис. 1.9). Крім високочастотних властивостей, імпульсні діоди повинні мати мінімальну тривалість перехідних процесів у момент вмикання та вими­кання. Виготовляються точкові й площинні імпульсні діоди.

Після вмикання прямого струму IFM (рис. 1.10, а) в базі діода поблизу p-n-переходу виникає надлишкова концентрація неоснов­них носіїв заряду, в результаті чого знижується прямий опір діода, а, отже, напруга на діоді UFMm перевищує усталену напругу UFg (рис. 1.10, 6). Відношення UFМтFM називають найбільшим імпульс­ним опором RMm. Оскільки надлишковий нерівноважний заряд в базі розсмоктується за час, що не менший за час життя неосновних носіїв заряду (час, протягом якого концентрація нерівноважний носіїв заряду зменшується в е раз, для германію і кремнію він ста­новить 10...100 мкс), то напруга на діоді знижується до 1,2 UFgr за кінцевий інтервал часу, який називають часом встановлення прямого опору (напруги) tgr Найбільш кардинальний спосіб зниження tgr­ зменшення товщини бази.

Якщо UFgr швидко змінити на зворотну UR (рис. 1.10, в),то зворотний струм різко зростає до значення IRm (рис. 1.10, г) за рахунок того, що накопичені в базі (n-шарі) при протіканні прямого струму дірки втягуються полем p-n-переходу назад в емітер (p-шар). При цьому зворотний опір різко зменшується. В результаті подальшого процесу рекомбінації дірок з електронами, що займає кінцевий відрізок часу, концентрація дірок досягає рівноважного значення, а зво­ротний струм зменшується до встановленого значення I0.Проміжок часу з моменту припинення прямого струму до моменту, коли зворот­ний струм досягає свого встановленого значення I0,називають часом відновлення зворотного опору (струму I0) діода.

Імпульсні діоди, як і випрямні, характеризуються статичними параметрами IFАV та IR, а також параметрами граничного режиму IFm та URm. Проте основні імпульсні параметри такі: Сд, tgr та R, а також струм IМт, який може значно перевищувати IFАV, оскільки при короткочасних (обумовлених у довіднику) імпульсах прямого струму можна не побоюватись перегріву діода. Імпульсні параметри покращуються, якщо використати при виготовленні діодів напівпровідникові матеріали з малим часом життя нерівноважних носіїв заряду. Суттєве зниження часу життя нерівноважних носіїв за­ряду (до 0,5-0,8 нс) досягається легуванням германію та кремнію золотом (так звані імпульсні діоди із золотою зв'язкою). При цьому також знижуються ємність Сд та зворотний струм діода.

Тепер промисловістю освоєний випуск кремнієвих діодних матриць і збірок, що об’єднують один або декілька імпульсних діодів за певною схемою вмикання. Такі матриці і збірки можна застосовувати як окремі функціональні вузли при проектуванні імпульсних та інших схем. Вони випускаються або в пластмасовому корпусі, або без нього і призначені для використання в гібридних мікросхемах із загальною герметизацією.

Стабілітрони (опорні діоди) призначені для стабілізації рівня по­стійної напруги. Такий прилад являє собою площинний напівпровідниковий діод, на вольт-амперній характеристиці якого (рис. 1.11) є ділянка аб зі слабкою залежністю напруги від струму.

Якщо зворотна напруга такого діода перевищує значення U(ВR). відбувається лавинний пробій р-n-переходу. При цьому спостерігається різке зростання зворотного струму при майже незмінному рівні зворотної напруги. Це явище використано в ста6ілітронах, які вми­кають у коло джерела постійної напруги в зворотному напрямі. На рис. 1.11 в першому квадранті вольт-амперної характеристики по­казане зворотне ввімкнення стабілітрона. Якщо зворотний струм че­рез стабілітрон не перевищує значення Ist тах, то електричний про­бій не призводить до псування діода протягом сотень тисяч годин.

Ста6ілітрони виготовляють з кремнію. Це зумовлено малим зна­ченням зворотного струму в кремнієвих діодах, що виключає можли­вість їх саморозігріву і теплового пробою р-n-переходів.

Стабілітрони характеризуються такими основними параметрами:

напругою стабілізації Ust – напругою на ста6ілітроні при протіканні заданого струму стабілізації, наприклад Ist пот (рис. 1.11). Крім Іst пот, вказуються також мінімальне Ist тiп і максимальне Ist тах значення постійних струмів на ділянці ста6ілізації, при яких забез­печується задана надійність. Перевищення струму Ist тах призводить до теплового пробою p-п-переходу. Мінімальний струм ста6іліза­ції Ist тiп обмежується величиною і нестабільністю зворотного стру­му в передпробійний період. Напруга стабілізації сучасних стабілітронів лежить у межах 1 – 1000 В, а значення мінімального та максимального струмів стабілізації відповідно в межах Іst mіn ≈ 1...10 мА, І st mах ≈ 50...2000 А;

диференційним опором стабілітрона в робочій точці на ділянці стабілізації rR = dUst,/dIst, що визначає ступінь зміни напруги стабілізації при зміні струму через стабілітрон. На ділянці стабілізації звичайно rR = 0,5 ... 200 Ом;

температурним коефіцієнтом напруги стабілізації що визначається відносною зміною напруги стабілізації із зміною температури на 1 0C.

3а напругою стабілізації стабілітрони поділяють на низьковольтні (Ust < 5,4 В) та високовольтні (Ust > 5,4 В). Рівень напруги стабілізації залежить від товщини збідненого шару p-n-переходу, а отже, ступеня легування кремнію домішкою. Щоб одержати низьковольтні стабілітрони, потрібно використати сильно легований кремній з дуже малою товщиною р-n-переходів. Низьковольтну напругу в межах 0,З...1 В стабілізують, використовуючи пряму вітку вольт-амперної характеристики кремнієвих діодів, що називаються стабісторами.

На різний характер пробою високовольтних і низьковольтних ста­білітронів вказує знак при . У низьковольтних стабілітронів з під­вищенням температури напруга стабілізації зменшується, у високо­вольтних збільшується, і має негативний знак.

На рис. 1.12 показана схема, що пояснює принцип роботи найпро­стішого стабілізатора постійної напруги. Якщо вхідна напруга стабі­лізатора збільшується, то це приводить до

Рис. 1.11 Рис. 1.12

 

збільшення струму через стабілітрон і резистор Rб(RH= соnst). Надлишок вхідної напруги виділяється на Rб, а напруга U вих - на опорі навантаження, що дорівнює Ust (навантаження підєднане паралельно до стабілітрона), залишається незмінною. Із зміною опору струм, що протікає через опір Rб, залишається незмінним, але змінюється розподіл струмів між ста­білітроном і навантаженням, а напруга U вих, як і раніше, зберігається незмінною. Для зменшення послідовно із стабілітроном з’єднують термозалежний опір RT, наприклад р-n-перехiд, зміщений у прямому напрямі.

 


Читайте також:

  1. Густина повного струму дрейфу у власному напівпровідникові
  2. Джерела світла: світлодіоди.
  3. Електричні властивості напівпровідників. Напівпровідникові
  4. Електронно-дірковий перехід і його властивості. Напівпровідникові діоди
  5. Напівпровідниковими діодами називаються напівпровідникові прилади з одним р-n переходом і двома виводами, у яких використовуються властивості переходу.
  6. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ІНТЕГРАЛЬНІ МІКРОСХЕМИ
  7. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми
  8. Напівпровідникові й електровакуумні прилади як активні
  9. Напівпровідникові лічильники
  10. Напівпровідникові підсилювачі
  11. Напівпровідникові структури




<== попередня сторінка | наступна сторінка ==>
ЕЛЕКТРОННО-ДІРКОВИЙ ПЕРЕХІД | БІПОЛЯРНІ ТРАНЗНСТОРИ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:


 

© studopedia.com.ua При використанні або копіюванні матеріалів пряме посилання на сайт обов'язкове.


Генерація сторінки за: 0.003 сек.