Полупроводниковые диоды. Полупроводниковый диод — это прибор, имеющий один p-n переход и два внешних вывода

Полупроводниковый диод — это прибор, имеющий один p-n переход и два внешних вывода. К полупроводниковым диодам относятся: выпрямительные диоды низкой и высокой частоты, стабилитроны, туннельные диоды, фотодиоды и др.

Выпрямительные диоды, предназначенные для преобразования переменного тока пониженной частоты в постоянный, подразделяются на собственно выпрямительные диоды (средний выпрямительный ток I_ср. < 10 А) и силовые вентили (I_ср > 10 А).

На рис. 4, а показана структура диода, а на рис. 4, б — его обозначение на электрических схемах. Электрод, подключенный к области р, называется анодом, а электрод, подключенный к области п — катодом.

Рис. 4. Структура диода (а); обозначение диода на электрических схемах (б)

К основным параметрам диода относятся:

- падение напряжения U_пр. на диоде при определенном значении прямого тока;

- обратный ток I_обр. при определенном значении обратного напряжения;

- среднее значение прямого тока I_пр.ср.;

- импульсное обратное напряжение U_обр.и.

Типовая вольтамперная характеристика (ВАХ) диода показана на рис. 5.

Маркировка полупроводниковых диодов содержит обозначение из четырех элементов (четвертый элемент, указывающий на конструктивное оформление — буква, может отсутствовать). Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный полупроводниковый материал: Г или 1 — германий или его соединения; К или 2 — кремний или его соединения; А или 3 — соединения галлия. Второй элемент (буква) указывает класс полупроводникового прибора: Д — диод; И — туннельный диод; С — стабилитрон и т.д.

Рис. 5. Вольтамперная характеристика силового диода

Третий элемент – трехзначное число, обозначающее тип прибора. Например: диод КД212А является кремниевым выпрямительным диодом средней мощности, в пластмассовом корпусе на металлической подложке.

Стабилитрон (опорный диод) — полупроводниковый диод, у которого на обратной ветви ВАХ имеется участок, расположенный в области лавинного пробоя. Этот рабочий участок стабилитрона характеризуется слабой зависимостью напряжения от тока (рис. 6).

Рис. 6. ВАХ стабилитрона (а); условное графическое обозначение стабилитрона (б)

В качестве материала для изготовления р-п перехода стабилитрона используется кремний, т.к. кремниевые р-п переходы имеют небольшие обратные токи, а переход в область пробоя резкий, проходящий практически параллельно оси токов. Прямая ветвь ВАХ стабилитрона почти не отличается от прямой ветви выпрямительного диода.

Стабилитроны кроме стабилизации напряжения могут быть использованы как ограничители в импульсных схемах.

Основными параметрами стабилитронов являются:

- напряжение стабилизации U_ст.;

- допустимый ток через стабилитрон I_ст.доп. ;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН).

Условное обозначение стабилитрона включает: материал проводника (К — кремний); обозначение подкласса стабилитронов, например, буква С; цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации; букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например: стабилитрон КС196Б является кремниевым стабилитроном, прецизионным (высокоточным), маломощным, напряжение стабилизации 9,6 В, в герметичном металлическом корпусе со стеклянным изолятором.

Для стабилизации напряжений (0,7-1,9) В применяют специальные полупроводниковые приборы, называемые стабисторами, которые используют прямую ветвь ВАХ.

Туннельный диод — полупроводниковый прибор с отрицательным сопротивлением, характерной особенностью которого является малая чувствительность к изменению внешней температуры.

Отличие туннельных диодов заключается в очень высокой концентрации примесей, тонком электронно-дырочном переходе в туннельном прохождении тока через р-п переход.

Большое количество примесных атомов образует достаточно много свободных энергетических состояний. Поэтому процесс прохождения тока в сильно легированных полупроводниковых веществах мало зависит от температуры и внешнего облучения. Наличие участка отрицательного сопротивления на ВАХ туннельного диода является его особенностью (рис. 7). В обычном сопротивлении, которое можно назвать положительным, при увеличении величины напряжения увеличивается ток и, соответственно, количество энергии, превращающейся в тепло. В отрицательном сопротивлении увеличение напряжения приводит к уменьшению тока и уменьшению рассеиваемой энергии. Например, в колебательном контуре всегда имеются потери, из-за этого колебания затухают. Если же параллельно контуру включать отрицательное сопротивление, то оно будет способствовать восполнению потерь энергии в контуре, причем синхронно с изменением напряжения на контуре. В этом состоит принцип действия большинства устройств, использующих полупроводниковые диоды с туннельным эффектом.

Рис. 7. ВАХ туннельного диода (а); условное графическое обозначение туннельного диода на электрических схемах (б)

Область применения туннельных диодов в электронной аппаратуре значительно расширяется. Это определяется рядом их преимуществ. Туннельные диоды практически безынерционны, имеют высокую температурную стабильность, мало чувствительны к радиоактивному облучению, так как концентрация носителей тока очень велика и относительное изменение их количества под действием энергии, сообщенной радиоактивным излучением, оказывается несущественным.

Фотодиод представляет собой диод с открытым р-п переходом. Световой поток Ф, падающий на открытый р-п переход, приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате увеличивается обратный ток (рис. 8). Схема включения фотодиода показана на рис. 9. Напряжение на нагрузке определяется как разность напряжения источника питания и напряжения на фотодиоде: U_н = Е – U_ф.д.

Рис. 8. ВАХ фотодиода (а); условное графическое обозначение диода (б)

Рис. 9. Схема включения фотодиода

Фотодиоды находят применение в качестве приемников оптического излучения. Основными параметрами фотодиодов являются: диапазон длин волн принимаемого изучения, интегральная чувствительность и темновой ток. Большинство фотодиодов имеет интегральную чувствительность в пределах (10^-3 − 1) мкА/лм. Темновой ток зависит от площади р-п перехода и обычно имеет значение (10^-2 − 1) мкА. В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды используются совместно с усилителем.

Светоизлучающие диоды (рис. 10, а) преобразуют электрическую энергию в световую за счет рекомбинации (объединения) электронов и дырок. В обычных диодах процесс рекомбинации происходит с выделением тепла, а в светодиодах преобладает рекомбинация с излучением света. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот (рис. 10, б). Для изготовления светодиодов применяют фосфид галлия (GaP) и карбид кремния (SiC), а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GaAlA₃), или галлия, мышьяка и фосфора (GaA₃P). Диоды инфракрасного (ИК) излучения изготавливают из арсенида галлия (GaAs).

Рис. 10. Спектральные характеристики излучения светодиодов

(а); условное графическое изображение светодиода (б); условное

графическое изображение двухкристального светодиода (в)

Германий и кремний непригодны для изготовления светодиодов, так как у них ширина запрещенной зоны слишком мала (зона, где электроны не могут находиться).

Светодиоды широко используются в бытовой радиоэлектронной аппаратуре в качестве индикаторов, ИК-диоды используются в телевизионных пультах дистанционного управления, охранных системах, датчиках объема, в портах передачи данных, например, в ИК-порте сотового телефона.

Для сигнализации о состоянии автоматического процесса, степени готовности к работе аппаратуры, логическом уровне напряжения и в раде других практических случаев, часто используют двухкристальные светодиоды (рис. 10, в).

Варикапы – это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость р-п перехода (рис. 11). Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения (рис. 12).

Рис. 11. Условное графическое обозначение варикапа на схемах

Рис. 12. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения

(вольт-фарадная характеристика)

Условное обозначение варикапа содержит пять элементов. Первый элемент обозначает материал, из которого изготовлен варикап (К – кремний). Второй элемент обозначает принадлежность диода к подклассу варикапов (В – варикап). Третий элемент – цифра, определяющая назначение варикапа (1 – для подстроечных варикапов, 2 – для умножительных варикапов). Четвертый элемент – это порядковый номер разработки. Пятый элемент – соответствует разбраковке по параметрам.

Теоретическое значение емкости варикапа можно определить по формуле

С_В = С_о (1 – U_В / ψ_к)^-1/2,

где С_о – начальная емкость варикапа при U_В = 0;

U_В – напряжение на варикапе;

ψ_к – контактная разность потенциалов.

Основными параметрами варикапа являются: начальная емкость С_о; добротность Q_В; коэффициент перекрытия по емкости К_С. Добротность варикапа определяется отношением реактивной мощности Q варикапа к активной Р:

Q_В = Q / Р.

Коэффициент перекрытия по емкости определяется как отношение максимальной емкости С_max варикапа к его минимальной С_min:

К_С = С_max / С_min.

Кроме этого часто указывают температурный коэффициент емкости варикапа

α_с = ∆ С /∆ Т и предельную частоту f_пред, при которой добротность варикапа снижается до единицы. Добротность варикапа увеличивается с увеличением обратного напряжения и с уменьшением рабочей частоты (рис.13 и рис.14).

Варикапы находят применение в различных электронных схемах – модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой, параметрических усилителях и генераторах и др. На рис. 15 показана схема резонансного контура с электронной перестройкой при помощи постоянного напряжения U_П. Напряжение перестройки подается в среднюю точку двух встречно-последовательно включенных варикапов VD 1 и VD 2 через дополнительный резистор R_Д. Такое включение варикапов позволяет увеличить крутизну перестройки и устраняет необходимость применения разделительного конденсатора. Специально для таких схем промышленностью выпускаются сдвоенные варикапы.

Рис. 13. График зависимости добротности варикапа от частоты

Рис. 14. График зависимости добротности варикапа от обратного напряжения

Рис. 15. Схема резонансного контура с электронной

перестройкой при помощи варикапов

Дата добавления: 2014-01-06