Студопедия
Новини освіти і науки:
МАРК РЕГНЕРУС ДОСЛІДЖЕННЯ: Наскільки відрізняються діти, які виросли в одностатевих союзах


РЕЗОЛЮЦІЯ: Громадського обговорення навчальної програми статевого виховання


ЧОМУ ФОНД ОЛЕНИ ПІНЧУК І МОЗ УКРАЇНИ ПРОПАГУЮТЬ "СЕКСУАЛЬНІ УРОКИ"


ЕКЗИСТЕНЦІЙНО-ПСИХОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПОРУШЕННЯ СТАТЕВОЇ ІДЕНТИЧНОСТІ ПІДЛІТКІВ


Батьківський, громадянський рух в Україні закликає МОН зупинити тотальну сексуалізацію дітей і підлітків


Відкрите звернення Міністру освіти й науки України - Гриневич Лілії Михайлівні


Представництво українського жіноцтва в ООН: низький рівень культури спілкування в соціальних мережах


Гендерна антидискримінаційна експертиза може зробити нас моральними рабами


ЛІВИЙ МАРКСИЗМ У НОВИХ ПІДРУЧНИКАХ ДЛЯ ШКОЛЯРІВ


ВІДКРИТА ЗАЯВА на підтримку позиції Ганни Турчинової та права кожної людини на свободу думки, світогляду та вираження поглядів



Контакти
 


Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция






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

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




Переглядів: 4267

<== 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: 0.01 сек.