• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

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 r_в точний вираз, що описує пря­му вітку вольт-амперної характеристики діода, можна навести у ви­гляді

i_A = I₀ {exp [(U_A – i_Ar_B)/φ_т] - 1} (1.4)

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

R_Д = dU_А/dі_А = φ_т/(і_А + I₀) + r_в. (1.5)

Оскільки φ_т малий, то вже при невеликому прямому струмі ви­конується нерівність φ_т/(і_А + I₀)<<r_в і опір діода визнається лі­нійним опором бази r_в. Тому при невеликому прямому струмі (приблизно і_F ≈ 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 I_FАV, який може тривалий час протікати через діод за припустимого його нагрівання; середнє за період значення прямої напруги U_FАV, яке однозначно знаходять з вольт-амперної ха­рактеристики при заданому значенні I_FАV; середнє за період значен­ня зворотного струму I_FRV при заданому значенні зворотної напру­ги U_R; гранична частота f_mах 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 U_Rmах, яку довгочасно витримує діод, зберігаючи нормальну роботу; максимально допустимий постійний прямий струм I_{F(О V)} діода.

Випрямні діоди підрозділяють на діоди малої потужності (I_FАV ≤ 0,3 А), середньої потужності (0,3 А ≤ I_FАV ≤ 10 А) і великої потужності (I_FАV > 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 3U_Rmах перевищує зворотну напругу, що діє в розглянутому електричному колі). Для ліквідації нерівномірності роз­поділу зворотної напруги між послі­довно з'єднаними діодами останні шунтують опорами R_ш= 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 R_Д, 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 С_Д між зовнішніми виводами, яка визначається бар’єрною ємністю p-n-переходу

(1.5)

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

Рис. 1.10

Чим менше значення С_д, 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 I_FM (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 U_FMm перевищує усталену напругу U_Fg (рис. 1.10, 6). Відношення U_FМт/І_FM називають найбільшим імпульс­ним опором R_Mm. 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 U_Fgr за кінцевий інтервал часу, який називають часом встановлення прямого опору (напруги) t_gr Найбільш кардинальний спосіб зниження t_gr­ зменшення товщини бази.

Якщо U_Fgr швидко змінити на зворотну U_R (рис. 1.10, в),то зворотний струм різко зростає до значення I_Rm (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 I_FАV та I_R, а також параметрами граничного режиму I_Fm та U_Rm. Проте основні імпульсні параметри такі: С_д, t_gr та R_Mт, а також струм I_Мт, який може значно перевищувати I_FАV, 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 С_д 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 I_{st 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 U_st – напругою на ста6ілітроні при протіканні заданого струму стабілізації, наприклад I_{st пот} (рис. 1.11). Крім І_{st пот}, вказуються також мінімальне I_{st тiп} і максимальне I_{st тах} значення постійних струмів на ділянці ста6ілізації, при яких забез­печується задана надійність. Перевищення струму I_{st тах} призводить до теплового пробою p-п-переходу. Мінімальний струм ста6іліза­ції I_{st 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 І_{st mіn} ≈ 1...10 мА, І _{st mах} ≈ 50...2000 А;

диференційним опором стабілітрона в робочій точці на ділянці стабілізації r_R = dU_st,/dI_st, що визначає ступінь зміни напруги стабілізації при зміні струму через стабілітрон. На ділянці стабілізації звичайно r_R = 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 (U_st < 5,4 В) та високовольтні (U_st > 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 R_б(R_H= соnst). Надлишок вхідної напруги виділяється на R_б, а напруга U _вих - на опорі навантаження, що дорівнює U_st (навантаження підєднане паралельно до стабілітрона), залишається незмінною. Із зміною опору Rн струм, що протікає через опір R_б, 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 R_T, 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: 4382