Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов и 2 вывода для подключения к внешней цепи.

Как правило, полупроводниковые диоды представляют собой структуру, состоящую из областей p и n -типа, имеющих различную концентрацию примесей и разделенных электронно-дырочным переходом. В зависимости от типа диода, р-n переход создается за счет контакта либо двух полупроводников с различным типом проводимости (электронной и дырочной), либо за счет контакта металла и полупроводника.

Для изготовления диодов применяют в основном кремний, германий и арсенид галлия, в которые искусственно вводят атомы примесей для создания примесной проводимости. Область с высокой концентрацией примеси называют эмиттером. Область с низкой концентрацией примеси называют базой.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода и его структура показаны на рис. 1.

Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом, а электрод, подключенный к области п, называют катодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. По конструкционному исполнению диоды делятся на плоскостные и точечные. У плоскостных диодов линейные размеры, определяющие площадь р-п перехода значительно больше толщины перехода, у точечных размеры перехода, определяющие их площадь меньше толщины области объемного заряда. По технологии изготовления диоды подразделяются на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в однополярный.

Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.

Выпрямительные диоды делятся на:

1) Силовые (низкочастотные) для использования в выпрямителях =50кГц/

a. Диоды малой мощности: < 300мА

b. Диоды средней мощности: 300мА < < 10А

c. Диоды большой мощности: 10А <

2) Маломощные (высокочастотные) для применения в разного рода детекторах =10100МГц.

Статические и динамические параметры, параметры электрического и эксплуатационного режимов.

К основным статическим параметрам относятся:

1) прямое напряжение при заданном прямом токе

2) постоянный обратный ток при заданном обратном напряжении

К основным динамическим параметрам относятся:

1) - среднее за период значение выпрямленного тока

2) - среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока

3) - среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения

4) - среднее за период значение обратного напряжения

5) - граничная частота, на которой выпрямительный ток диода уменьшается до установленного уровня

К параметрам электрического режима относятся:

1) - дифференциальное сопротивление диода;

2) - сопротивление диода постоянному току.

3) - ёмкость диода, включающая ёмкости электрического перехода и корпуса, если последний существует.

Под предельно допустимыми эксплуатационными режимами работы диодов подразумеваются такие режимы, которые обеспечивают с заданной надёжностью работу приборов в течение оговоренного техническими условиями срока службы.

К параметрам эксплуатационных режимов относятся:

1) - максимальное значение выпрямленного тока

2) - максимальное значение допустимого обратного напряжения

3) - максимальная допустимая мощность

4) - минимальная температура окружающей среды для работы диода

5) - максимальная температура окружающей среды для работы диода

Выпрямительные диоды широко применяют в источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шотки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды,- селеновые и титановые выпрямители.

Мы с вами рассмотрели вольтамперную характеристику электронно-дырочного перехода, которая описывается уравнением

.

При этом мы считали, что сопротивление перехода гораздо больше, чем объема полупроводника и все падение напряжения приходится на область p-n перехода.

Реальный переход несколько отличается от идеального. Отличия состоят в следующем:

1. Реальный переход имеет конечные размеры, это значит, что необходимо учитывать процессы, происходящие на поверхности, которые обычно проявляются в утечках при обратном включении и в нестабильности обратного тока во времени.

2. При рассмотрении идеального перехода не учитывалось, что часть внешнего напряжения падает в объеме полупроводника за пределами p-n перехода. В ряде случаев, особенно при больших токах и высоком сопротивлении объема полупроводника на переходе падает только часть напряжения, и формула тока имеет вид:

Здесь U – напряжение, приложенное к полупроводнику, IR – падение напряжения в объеме полупроводника.

3. База диода, то есть та его часть, в которую инжектируются неосновные носители заряда, имеет конечную толщину, причем часто эта толщина бывает меньше диффузионной длины. Это приводит к увеличению прямого тока по сравнению с рассматриваемым по основной формуле.

На рис. 1.2 представлены вольтамперные характеристики p-n перехода и реального диода.

При работе диода в области больших токов начальный участок вольтамперной характеристики практически сливается с осью абсцисс, и на характеристике появляется «пьедестал» (рис.1.3).

Это не означает отсутствие тока при малых напряжениях, просто он настолько мал, что его невозможно отобразить графически.

Лавинные диоды – это разновидность выпрямительных диодов (нормируется напряжение лавинного пробоя). Могут использоваться в цепях защиты от перенапряжения.

Выпрямительные столбы – это совокупность выпрямительных диодов, включённых последовательно и собранных в единую конструкцию с двумя выводами, используется в высоковольтных выпрямителях.

Выпрямительные блоки и сборки – содержат несколько диодов, электрически независимых или соединённых в виде однофазного или трёхфазного моста. Позволяют упростить монтаж и уменьшить габариты аппаратуры.

Универсальные и импульсные диоды отличаются от выпрямительных диодов более высоким быстродействием и большими значениями импульсных токов, имеют другую систему параметров.

Диоды с накоплением заряда – разновидность импульсных диодов, имеющих малое время обратного восстановления. Это достигается неравномерным легированием базы.

Диодные матрицы и сборки – представляют собой интегрированные в одном корпусе или кристалле универсальные и импульсные диоды (диоды соединяются в виде микросхем). Могут быть соединены между собой или изолированы.

Стабилитрон - Стабилитронами называются диоды особой конструкции, работающие в режиме пробоя при отрицательном напряжении, и используемые для стабилизации напряжений.

Схематическое изображение стабилитрона и его схема замещения приведены на рис.

При обратном включении полупроводникового диода возникает лавинный пробой р-п перехода, при этом в широком диапазоне изменения тока через переход напряжение на нем практически не меняется. Эта особенность стабилитронов используется для стабилизации напряжения. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Вольтамперная характеристика стабилитронов в области отрицательных напряжений проходит практически параллельно оси тока (рис.3а). Поэтому при изменении силы тока через стабилитрон от I_min до I_max величина падения напряжения на нем U_ct остается практически постоянной. На рис. 3б приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на стабилитроне.

У современных стабилитронов напряжение стабилизации находится в пределах от единиц до сотен вольт, а ток стабилизации - от долей до единиц мА.

Параметры стабилитрона:

1) Напряжение стабилизации при заданном токе стабилизации

2) Дифференциальное сопротивление стабилитрона при заданном токе стабилизации

3) Температурный коэффициент напряжения стабилизации При напряжении 6,3В , при большом напряжении преобладает лавинный пробой (), при меньших напряжениях – туннельный пробой ().

Для уменьшения температурного коэффициента стабилизации разработаны прецизионные стабилитроны. В них включены один или несколько прямосмещённых p-n -переходов. Количество диодов зависит от напряжения стабилизации ( В).

Импульсный стабилитрон от обычных стабилитронов отличается повышенным быстродействием и применяется для стабилизации амплитуды импульсов.

Двухсторонний стабилитрон – два импульсных стабилитрона, включённых встречно. Для стабилизации двухполярных напряжений и защиты электрических цепей от перенапряжений любой полярности применяют двуханодные стабилитроны, которые имеют симметричную вольтамперную характеристику.

Стабистор – один или несколько последовательно включённых диодов, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ.

Варикапы – это полупроводниковые приборы, в которых используется барьерная емкость р-п переходов. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и уменьшается с его увеличением. Схематическое изображение варикапа имеет вид (рис.4):

Основной характеристикой варикапов является вольт-фарадная характеристика С = f (u_обр) (рис.5). Варикапы используются в колебательных контурах (вместо конденсаторов переменной емкости) для изменения их собственной частоты под действием приложенного напряжения. В частности, варикапы могут использоваться для частотной модуляции, в параметрических усилителях.

Важнейшим параметром варикапов является коэффициент перекрытия по емкости K=C ₁ /C ₂ – отношение емкостей варикапа для двух заданных значений обратного напряжения (чаще берут отношение максимальной емкости к минимальной). Значение этого параметра составляет несколько единиц.

Для современных варикапов коэффициент перекрытия может достигать десятков при изменении обратного напряжения от десятых долей вольта до десятков вольт. Варикапы, благодаря малому обратному току (т.е. высокому электрическому сопротивлению), обладают весьма высокой добротностью, что позволяет получать очень узкие резонансные кривые колебательных электрических контуров.

Варактор – варикап, используемый в умножителях частоты (силовой варикап). Используется в радиопередатчиках, там, где стоит задача генерировать сигналы большой мощности.

Туннельный диод – полупроводниковый прибор на основе p-n- перехода, образованного вырожденными полупроводниками. В этих диодах туннельный эффект который достигается созданием очень узкого обедненного слоя (до 0,01 мкм), проявляется уже при небольших положительных напряжениях на p-n -переходах.

При этом через такой узкий переход протекает значительный ток. Этот ток проходит в обоих направлениях, только в области прямого смещения ток сначала растет, а достигнув значения I_max при напряжении U ₁ довольно резко убывает до I_min при U ₂ (рис.6). Снижение тока связано с тем, что с ростом прямого напряжения уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U ₂ количество таких электронов становится равным нулю, и туннельный ток исчезает. При дальнейшем повышении напряжения прямой ток, как и у обычных диодов определяется диффузией.

Схематическое изображение туннельного диода имеет вид

В обозначениях туннельных диодов второй является буква «И».

Специфические параметры туннельных диодов:

- Пиковый ток – прямой ток в точке максимума ВАХ;

- Ток впадины – прямой ток в точке минимума ВАХ;

- Отношение токов - отношение пикового тока к току впадины. (Для германиевых диодов 3...6, для арсенида галлия больше 10).

- Напряжение пика – прямое напряжение, соответствующее пиковому току. (Для германия U_n = 40...60 мВ, для арсенида галлия 100...150 мВ).

- Напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее минимальному току. (Для германия U_в = 250...350 мВ, для арсенида галлия 400...500 мВ).

- Напряжение раствора – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.

Наличие на вольтамперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет применять туннельные диода для усиления, генерирования, переключения и преобразования электрических колебаний.

Обращённый диод отличается от туннельных диодов меньшей концентрацией примесей в p- и n-областях. Туннельный эффект проявляется только при обратном напряжении.

Отсутствует диффузионная ёмкость.

Работают до частоты 50ГГц.

Используется при построении смесителей.

СВЧ-диоды предназначены для работы в сантиметровом и дециметровом диапазоне волн. В зависимости от выполняемой функции делятся на:

1) Смесительные

2) Детекторные

3) Параметрические

4) Ограничительные, переключателиные

5) Умножительные и настроечные

6) Генераторные:

a. Лавинно-пролётные диоды /ЛПД/

b. Диоды Ганна

Светоизлучающие диоды и Излучающие диоды инфракрасного диапазона предназначены для преобразования элементарной энергии в энергию некогерентного излучения в соответствующем диапазоне волн. Излучение возникает при рекомбинации неосновных носителей в базе прямосмещённого p-n -перехода с шириной запрещённой зоны больше 1,8эВ.

Фотодиод предназначен для преобразования энергии световой или инфракрасного излучения в электрическую энергию. Используется в различных датчиках и оптронах.

Дата добавления: 2014-01-06