Выпрямительные диоды

Полупроводниковые диоды.

Лекция № 2

Перелік літератури

1. Бугаєнко Г. О. Методи математичної фізики. – К.: Вища школа, 1970. – 310 с.
2. Будак Б. М., Самарский А. А., Тихонов А. Н. Сборник задач по математической физике. – М.: Наука, 1980. – 688 с.
3. Мэтьюз Дж., Уокер Р. Математические методы физики. – М.: Атомиздат, 1972. – 392 с.

По назначению различают следующие типы диодов:

1. Выпрямительные.

2. Импульсные.

3. Высокочастотные и сверхвысокочастотные.

4. Стабилитроны и стабисторы.

5. Варикапы.

6. Фотодиоды.

Предназначены для работы при напряжениях частоты до нескольких кГц и при некрутых фронтах питающего напряжения. Не предназначены для прямоугольного питающего напряжения. Для выпрямительных диодов оговариваются два основных параметра:

1.Ток прямой номинальный (среднее значение).

2. Напряжение обратное максимальное (мгновенное).

Диоды выпускаются на ток 10мА...1000А. Обратное напряжение находится в пределах от 10В до нескольких кВ. Для мощных диодов (ток > 10А) обратное напряжение определяют классом диода. Класс диода - это 100В, умноженное на цифру класса. Цифра класса от 1 до 20. Например: Д50-12, здесь 50 -ток прямой номинальный в А; 12 - класс. Класс - это параметр, используемый для мощных диодов и характеризующий обратное напряжение. У мощных диодов номинальный прямой ток допустим только при установке диода на радиатор и при принудительном охлаждении со скоростью воздуха 12м/с. Без принудительного охлаждения воздухом (имеется только радиатор) допустимый ток составляет около 30% от номинального. У современных диодов распространены следующие обозначения: ДXXXY или КДXXXY, где КД - кремниевый диод, XXX - цифры, Y - буква. Первая цифра говорит о виде диода (выпрямительные - 1,2). Буква определяет обратное напряжение.

Второстепенные параметры:

1.Максимальный обратный ток I_{обр.макс} (от десятков нА до десятков мА).

2.Прямое падение напряжения U_пр (0,3...1,2В).

3.Максимальная рабочая частота, до которой обеспечиваются заданные

токи, напряжения и мощность.

4.Время восстановления запирающих свойств диода.

Диод не проводит (или запирается) при приложении обратного напряжения. Запирание - переход от проводящего состояния к непроводящему. При приложении прямоугольного обратного напряжения диод ведет себя как показано на рис.1.

Интервал I - время рассасывания носителей, интервал II - бросок обратного тока. Он связан с наличием барьерной емкости диода. Интервал tв - время восстановления, т.е. время перехода от проводящего состояния до момента установления обратного тока на ВАХ. Из-за не идеальности диода ограничивается предельная частота его работы. При очень высокой частоте диод перестает выполнять свои функции.

Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды.

Высокочастотные диодымогут работать в различных схемах вплоть до частот порядка нескольких сотен мегагерц.

Для них приводится график прямого тока в зависимости от частоты. График представлен на рис. 2.

В этой группе диодов в большинстве случаев используется точечный переход. Полупроводниковый диод с точечным переходом обычно называется точечным диодом.

В большинстве случаев основой точечных диодов служит кристалл германия (реже, кремния,) в который упирается тонким (диаметром 10 – 20 мкм) острие контактной металлической пружины (зонда).

Обратная ветвь ВАХ точечного диода значительно отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода. Обратный ток мал (мала площадь перехода). При увеличении обратных напряжений обратный ток почти равномерно возрастает за счет токов термогенерации и утечки. Поэтому влияние температуры на величину обратного тока сказывается слабее, чем в плоскостных переходах.

По диапазонам рабочих частот высокочастотные диоды делятся на две группы: диоды, рассчитанные на рабочие частоты от 300 до 1 000 Мгц.

Диоды СВЧ. В технике СВЧ применяются германиевые и кремниевые диоды, предназначенные для схем видео - и измерительных детекторов, смесительных детекторов и др. Эти диоды изготавливаются из очень низкоомного материала (малое время жизни носителей заряда) и имеют весьма малый радиус точечного контакта (2 – 3 мкм), что обеспечивает хорошие частотные свойства. диоды СВЧ обладают очень низким напряжением пробоя (3 – 5 в), а рост обратного тока у них начинается с очень малых обратных напряжений за счет туннельного эффекта носителей через переход.

Импульсные диоды.

Оговариваются те же основные параметры, что и для рассмотренных выше диодов, и приводится еще важный второстепенный параметр - импульсный ток за оговоренное время.

Импульсные диоды предназначены для работы в режиме переключения и находят наиболее широкое применение в различных электронных устройствах вычислительной техники. Диоды, работающие в импульсных схемах, должны обладать хорошими высокочастотными свойствами; длительность переходных процессов в диодах должна быть сведена к минимуму.

График, иллюстрирующий установление обратного тока диода при изменении напряжения на нем приведен на рис. 3.

При быстром изменении прямого напряжения на обратное (запирающее) в первый момент времени наблюдается резкое увеличение обратного тока (иногда на 1 – 2 порядка выше установившегося значения), а следовательно, и снижение обратного сопротивления перехода. Возникновение броска обратного тока обусловлено тем, что избыточные дырки, находящиеся в базе на расстоянии диффузионной длины от перехода, втягиваются полем перехода обратно в р - область. Лишь после того как концентрация дырок в базе достигает своего равновесного значения за счет рекомбинации с электронами и утечки дырок через p-n- переход, ток спадает до своего установившегося значения, а обратное сопротивление диода восстанавливается до высокого статического значения.

Интервал времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток достигает заданного значения, называется временем восстановления обратного сопротивления (тока) и обычно обозначается t _обр . Наибольшее значение обратного тока через диод после переключения напряжения называется максимальным током восстановления (I _в.макс).

Стабилитроны и стабисторы

Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же как у диодов, она также может использоваться.

ВАХ стабилитрона представлена на рис. 4.

рис.4а

Для стабилитронов указывается два основных параметра:

Uст - напряжение стабилизации стабилитрона;

Iст.н – номинальный ток стабилитрона.

Uст=3,3...170В. Для Uст указывается разброс в процентах или в вольтах, а также изменение Uст при изменении температуры. У маломощных стабилитронов Iст.min=1...3mА, Iст. max=30mA. Iст.н у мощных стабилитронов составляет несколько сот mA.

Стабилитронами и стабисторами называют полупроводниковые диоды, ВАХ которых имеют участки малой зависимости напряжения от протекающего тока (участки аб и вг на рис. 5а). Поэтому стабилитроны и стабисторы используют в стабилизаторах напряжения и тока. Участки характеристик, соответствующие режимам работы этих приборов в схемах, называют рабочими. Рабочие участки аб стабилитронов и вг стабисторов находятся соответственно на обратной и прямой ветвях характеристик.

Стабилитроны работают в режиме неразрушающего электрического пробоя – туннельного или лавинного, а стабисторы – прямого напряжения на p-n- переходе. Поэтому в качестве стабисторов используют кремниевые диоды, включенные в прямом направлении.

Стабисторы - это стабилитроны, у которых используется прямая ветвь ВАХ.

ВАХ стабистора показана на рис.5.

.

Основными параметрами стабилитронов являются:

- номинальное напряжение стабилизации U _{ст. ном} – среднее напряжение стабилизации, измеренное при определенном токе стабилизации I _ст;

- разброс напряжения стабилизации DU _ст – интервал напряжений, в пределах которого находится напряжение стабилизации;

- средний температурный коэффициент напряжения стабилизации a _Ucт, показывающий, на сколько процентов изменится U _ст при изменении температуры окружающей среды на 1К.

- дифференциальное сопротивление r _ст, определяющее стабилизирующие свойства прибора и показывающее, в какой степени U _ст зависит от тока;

- минимально допустимый ток стабилизации I _{ст min} (при меньших токах резко возрастет r _ст и уменьшится U _ст );

- максимально допустимый ток стабилизации I _{ст мах} (при больших токах происходит разрушающий тепловой пробой).

- наибольшая рассеиваемая мощность Р _макс .

Варикапы.

Рис.6. (рис. 53 а, б)

При подаче обратного напряжения любой p-n- переход представляет собой конденсатор, диэлектриком которого служит высокоомный запирающий слой с низкой концентрацией носителей заряда, а электродами – слои полупроводникового материала по обе стороны от него, сохраняющие высокую проводимость. Емкость такого конденсатора, называемая барьерной (см. рис.), определяется обратным напряжением U _обр и уменьшается с его ростом, так как запирающий слой расширяется, что равносильно увеличению расстояния между электродами.

Полупроводниковые диоды, основанные на использовании управляемой барьерной емкости, называют варикапами. Условное графическое обозначение варикапа показано на рис. 6 б.

Основными параметрами варикапов являются:

- емкость С _в, которая измеряется при U _обр = 0 ¸ 4 В и составляет от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад;

- коэффициент перекрытия по емкости К _С, который лежит в пределах от 2 до 18 и представляет собой отношение максимальной емкости C_{в мах} к минимальной C_{в min}, измеренной при напряжении, близком к максимально допустимому.

Варикапы используют, главным образом, для управления колебательными контурами в системах автоподстройки частоты радио- и телевизионных приемников, а также в возбудителях передатчиков с частотной модуляцией и параметрических усилителях, работающих в диапазоне СВЧ.

Фотодиоды.

Рис.7а,б,в,г (рис. 57 а, б, в, г)

Принцип действия фотодиодов основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в p-n- переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. ВАХ фотодиода (рис. 7 а) показывают, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. такой режим работы прибора называют фотодиодным.

Кроме того, используют фотогальванический режим, который состоит в том, что при освещении непосредственно p-n- перехода образующиеся в нем электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем, обусловленным контактной разностью потенциалов. В результате на выводах прибора появляется фотоэлектродвижущая сила, а при его включении в замкнутую цепь – электрический ток.

Зависимости тока фотоэлемента от светового потока при различных сопротивлениях цепи показаны на рис. 7 б, условные графические обозначения фотодиода и фотоэлемента – на рис. 7 в, г.

Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, используют в преобразователях солнечной энергии в электрическую для питания различных устройств, длительное время работающих автономно (например, искусственных спутников Земли).

Дата добавления: 2014-01-13