Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода. В качестве электрического перехода может использоваться электронно-дырочный переход, контакт металл-полупроводник или гетеропереход.
Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, – базой. Сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую – анодом.
По назначению диоды делятся на:
1. выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное;
2. стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока:
3. варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением;
4. импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах;
5. туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний;
6. сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний;
7. светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию;
8. фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.
Система и перечень параметров, включаемые в технические описания и характеризующие свойства полупроводниковых диодов, выбираются с учетом их физико-технологических особенностей и области применения. В большинстве случаев важны сведения об их статических, динамических и предельных параметрах.
Статические параметры характеризуют поведение приборов при постоянном токе, динамические – их частотно-временные свойства, предельные параметры определяют область устойчивой и надежной работы.
1.5. Вольтамперная характеристика диода
Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода аналогична вольтамперной характеристике p-n -перехода и имеет две ветви – прямую и обратную.
ВАХ диода представлена на рисунке 5.
Если диод включен в прямом направлении ("+" – к области р , а "-" – к областиn ), то при достижении порогового напряженияU пор диод открывается и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к областир , а "+" – к областиn ) через диод протекает незначительный обратный ток, то есть фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента.
Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе.
Параметрами ВАХ являются: динамическое (дифференциальное) сопротивление диода переменному току и статическое сопротивление постоянному току.
Статическое сопротивление диода постоянному току в прямом и обратном направлении выражается соотношением:
, (2)
где U иI задают конкретные точки на ВАХ диода, в которых производится вычисление сопротивления.
Динамическое сопротивление переменному току определяет изменение тока через диод с изменением напряжения вблизи выбранной рабочей точки на характеристике диода:
. (3)
Поскольку типичная ВАХ диода имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один – на обратной), r д вычисляется как отношение малого приращения напряжения на диоде к малому приращению тока через него при заданном режиме:
. (4)
Чтобы вывести выражение для r д, удобнее принять в качестве аргумента токI , а напряжение считать его функцией и, логарифмируя уравнение (1), привести его к виду:
. (5)
. (6)
Отсюда следует, что с ростом прямого тока r д быстро уменьшается, так как при прямом включении диодаI >>I S .
На линейном участке ВАХ при прямом включении диода статическое сопротивление всегда больше динамического сопротивления: R ст >r д. При обратном включении диодаR ст < r д.
Таким образом, электрическое сопротивление диода в прямом направлении намного меньше, чем в обратном. Следовательно, диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока.
Существует немало устройств, созданных с целью преобразования электрического тока, и выпрямительные диоды – одни из них.
Выпрямительный диод – преобразователь тока переменного в постоянный. Является одним из видов полупроводников. Широкое применение получил благодаря основной характеристике – переводу электрического тока строго в одном направлении.
Принцип действия
Необходимый эффект при работе устройства создают особенности p-n перехода. Заключаются в том, что рядом с переходом двух полупроводников встраивается слой, который характеризуется двумя моментами: большим сопротивлением и отсутствием носителей заряда. Далее при воздействии на данный запирающий слой переменного напряжения извне толщина его уменьшается и впоследствии исчезает. Возрастающий во время этого ток и является прямым током, который проходит от анода к катоду. В случае перемены полярности внешнего переменного напряжения запирающий слой будет больше, и сопротивление неминуемо возрастет.
ВАХ выпрямительного диода (вольт-амперная характеристика) также дает представление о специфике работы выпрямителя и является нелинейной. Выглядит следующим образом: существует две ветви – прямая и обратная. Первая отражает наибольшую проводимость полупроводника при возникновении прямой разницы потенциалов. Вторая указывает на значение низкой проводимости при обратной разнице потенциалов.
Вольт-амперные характеристики выпрямителя прямо пропорциональны температуре, с повышением которой разность потенциалов сокращается. Электрический ток не пройдет через устройство в случае низкой проводимости, но лавинный пробой происходит в случае возросшего до определенного уровня обратного напряжения.
Использование сборки
При эксплуатации выпрямительного полупроводникового диода польза извлекается только из половины волн переменного тока, соответственно, безвозвратно теряется более половины входного напряжения.
С целью улучшить качество преобразования переменного тока в постоянный используется сборка из четырех устройств – диодный мост. Выгодно отличается тем, что пропускает ток на протяжении каждого полупериода. Диодные мосты производят в виде комплекта, заключенного в пластиковый корпус.
Принципиальная схема диодного моста
Физико-технические параметры
Основные параметры выпрямительных диодов базируются на таких значениях:
- максимально допустимом значении разницы потенциалов при выпрямлении тока, при котором устройство не выйдет из строя;
- наибольшем среднем выпрямленном токе;
- наибольшем значении обратного напряжения.
Выпрямители промышленность выпускает с разными физическими характеристиками. Соответственно, устройства имеют разную форму и способ монтажа. Разделяются при этом на три группы:
- Выпрямительные диоды большой мощности. Характеризуются пропускной способностью тока до 400 А и являются высоковольтными. Высоковольтные выпрямительные диоды производятся в корпусах двух видов –штыревом, где корпус герметичный и стеклянный, и таблеточном, где корпус из керамики.
- Выпрямительные диоды средней мощности. Обладают пропускной способность от 300 мА до 10А.
- Выпрямительные диоды малой мощности. Максимально допустимое значение тока – до 300 мА.
Выбор выпрямительных диодов
При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:
- значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
- максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
- средней силой выпрямленного тока;
- материалом прибора и типом монтажа.
В зависимости от физических характеристик на корпус устройства наносится соответствующее обозначение. Каталог с маркировкой выпрямительных диодов представлен в специализированном справочнике. Необходимо знать, что маркировка импортных аналогов отличается от отечественных.
Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:
- Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
- Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.
Диод Шоттки
Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:
- оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
- минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
- ток утечки обладает большим значением.
При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.
В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.
Стоит отметить, что достоинства диода мощного выпрямительного Шоттки значительно превышают недостатки.
Диод-стабилитрон
Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.
Практическое использование выпрямительного диода
В связи с неудержимым развитием научно-технического прогресса применение выпрямителей затронуло все сферы жизнедеятельности человека. Диоды силовые выпрямительные эксплуатируются в таких узлах и механизмах:
- в блоках питания главных двигателей транспортных средств (наземных, воздушных и водных), промышленных станков и техники, буровых установок;
- в комплектации диодного моста для сварочных аппаратов;
- в выпрямительных установках для гальванических ванн, используемых для получения цветных металлов или нанесения защитного покрытия на деталь или изделие;
- в выпрямительных установках для очистки воды и воздуха, фильтрах различного рода;
- для передачи электроэнергии на дальние расстояния посредством высоковольтной линии электропередач.
В повседневной жизни выпрямители используют в различных транзисторных схемах. Применяют в основном маломощные устройства как в виде однополупериодного выпрямителя, так и виде диодного моста. Например, диоды выпрямительного блока генератора хорошо известны автолюбителям.
РЕЗИСТОРЫ, КОНДЕНСАТОРЫ
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Резисторы
Резисторы относятся к наиболее распространенным деталям радиоэлектронной аппаратуры. На их долю приходится от 20 до 50%, т. е. до половины общего количества радиодеталей в устройстве. Принцип работы резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему току. Резисторы характеризуются следующими основными параметрами:
Номинальное значение сопротивления . Измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегаомах (МОм). ,
Номинальные значения сопротивлений указывают на корпусе резистора. Номинальное значение сопротивления соответствует значению из стандартных рядов сопротивлений, приведенных в приложении 1.
Допустимое отклонение действительного сопротивления резистора от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности. Наиболее широко используются три класса точности: I – допускающий отклонение сопротивления от номинального значения на ± 5%, II – на ±10%, III – на ±20%. В современной РЭА часто применяют резисторы с повышенной точностью сопротивления, они выпускаются с допусками (%): ±2; ±1; ±0,5; ±0,2; ±0,1; ±0,05; ±0,02; ±0,01 и т. д.
Номинальное значение мощности рассеивания резистора Rном. Этот параметр измеряется в ваттах (Вт). Это наибольшая мощность постоянного или переменного тока, при протекании которого через резистор он может работать длительное время без повреждений. Мощность Рном, ток I, протекающий через резистор, падение напряжения U на резисторе и его сопротивление R связаны зависимостью: P=UI U=IR. В большинстве устройств РЭА применяют резисторы с номинальной мощностью рассеивания от 0,125 до 2 Вт.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора. Характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1°С и выражается в процентах. В резисторах ТКС незначительный и составляет в среднем десятые доли – единицы процента.
Электродвижущая сила (ЭДС) собственных шумов. Собственные шумы резистора возникают за счет неупорядоченного движения части электронов при приложенном к нему напряжении. ЭДС собственных шумов (Еш) измеряется в микровольтах на вольт приложенного напряжения (мкВ/В). Эта величина для резисторов также незначительная и составляет единицы микровольт на вольт.
Собственная индуктивность и емкость резисторов. Определяются габаритными размерами, конструкцией и влияют на частотный диапазон применения резисторов.
Резисторы используют для ограничения силы тока в цепях, для создания на отдельных участках схем необходимых падений напряжений, для различных регулировок (громкости, тембров и т. д.) и еще во многих случаях.
Условно-графическое обозначение резисторов и схемы соединения
Согласно ГОСТ2.728-74, УГО постоянного проволочного резистора имеет следующий вид:
Рис. 1. УГО проволочного резистора
Существуют два основных вида схем включения резисторов – последовательное включение резисторов и параллельное.
При последовательном включении резисторов их эквивалентное сопротивление будет равно сумме всех отдельных сопротивлений
При параллельном включении резисторов их эквивалентное сопротивление можно рассчитать по формуле
.
Конденсаторы
Электрическим конденсатором называют устройства, предназначенные для накопления электрического заряда.
Принцип действия конденсатора основан на накоплении электрического заряда между двумя близко расположенными проводниками. Такие проводники так же называются обкладками. В зависимости от типа диэлектрика, который разделяет обкладки различают виды конденсаторов.
К основным параметрам конденсатора относят:
Электрическая номинальная емкость – способность конденсатора накапливать на обкладках электрические заряды под воздействием электрического поля. Номинальная емкость указывается на конденсаторе или в сопроводительной документации, выбирается в соответствии с установленным рядом. Измеряется в фарадах [Ф], однако 1Ф достаточно крупная величина, поэтому значение обычных конденсаторов употребляется с приставками нано- (10 –9), микро- (10 –6), мили- (10 –3).
Допустимое отклонение действительного емкости конденсатора от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – относительное изменение емкости конденсатора под действием температуры. Под действием температуры обкладки конденсатора меняют свои геометрические размеры, изменяется расстояние между ними и значение диэлектрической проницаемости диэлектрика, поэтому изменяется и значение емкости конденсатора. Для всех конденсаторов данная зависимость нелинейная, однако, в зависимости от типа диэлектрика, для некоторых она приближается к линейной.
Номинальное напряжение U – максимально допустимое значение постоянного напряжения (или суммы постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей) при котором конденсатор может работать в течении всего гарантированного срока службы при нормальной температуре.
Условно-графическое обозначение конденсаторов и схемы соединения
Согласно ГОСТ2.728-74на принципиально-электрических схемах конденсаторы обозначаются:
Рис. 2. УГО конденсатора
Существуют два основных вида схем включения конденсаторов – последовательное и параллельное.
При параллельном включении конденсаторов их емкость складывается по формуле
.
При последовательном включении конденсаторов их эквивалентную емкость можно рассчитать по формуле
.
Маркировка резисторов и конденсаторов
Маркировка резисторов
Согласно ГОСТ 28883-90 – промышленно выпускаемых резисторах применяется следующие системы маркировок:
Буквенная полная
Параметры и характеристики, входящие в полное условное обозначение резистора, указываются в следующей последовательности: номинальная мощность рассеяния, номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения, допускаемое отклонение сопротивления в процентах (%), функциональная характеристика, обозначение конца вала и длинны выступающей части вала.
Пример полного условного обозначения постоянного непроволочного резистора с регистрационным номером 4, номинальной мощностью рассеяния 0,5 Вт, номинальным сопротивлением 10 кОм, с допуском ±1%, группой по уровню шумов А, группы ТКС – Б, все климатического исполнения В.
Р1-4‑0,5‑10кОм±1% А-Б-В ОЖО.467.157 ТУ
Буквенные сокращения
Ввиду того что полное условное обозначение занимает значительное место на корпусе резистора, то его применение не всегда возможно и удобно, поэтому было введено сокращенное буквенное обозначение в состав которого входит обозначение номинального сопротивления и допускаемого отклонения. Номинальное сопротивление обозначается в виде кода. Кодированное обозначение номинального сопротивления состоит из трех или четырех знаков, включающих в себя две или три цифры и букву латинского алфавита. Буква кода из русского или латинского алфавита обозначает множитель, составляющий сопротивление, и определяет положение запятой десятичного знака. Буквы R, K, M, G, T обозначают соответственно множители 1, 10 3 , 10 6 , 10 9 , 10 12 . Примеры кодированных обозначений номинального сопротивления выглядят следующим образом: 215 Ом – 215R, 150 кОм – 150K,2,2 Мом – 2M2,6,8 ГОм – 6G8,1 ТОм – 1T0 Кодированное обозначение допускаемого отклонения состоит из буквы соответствующей отклонению в %. Значение букв кодировки приведено в приложении 2.
Помимо описанной выше кодировки в промышленно выпускаемых резисторах применяется цветовая кодировка.
Маркировка конденсаторов
Краткая буквенная маркировка конденсатора выполняется по аналогичным правилам, что и маркировка резисторов. Номинальная емкость конденсатора выражается с помощью 3-4 чисел и кодового обозначения множителя. Принято использовать следующие буквы p, n, μ, m, соответствующие множителям пико- , нано-, микро-, мили- фарад.
Пример маркировки конденсатора: p10 – 0.1пФ; 1μ5 – 1.5мкФ.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ:
ВАХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА
Сравнение характеристики реального диода с характеристикой идеального p-n перехода.
Известно, что статическая ВАХ идеализированного полупроводникового диода описывается выражением:
,
где I – ток диода; U – приложенное к нему напряжение; Is – ток насыщения, определяемый параметрами p-n перехода; kT /q – тепловой потенциал (kT /q =0,0259 В при Т=300К).
Вид характеристики описанной данным выражением представлен на рис. 3.
Рис. 3. ВАХ идеального p-n перехода.
При изображении ВАХ масштаб по осям прямых и обратных напряжений выбирается разным, так как эти значения различаются на порядки. Разные масштабы создают впечатление излома характеристики в нулевой точке, в действительности же ВАХ является дифференциально-гладкой. На прямой ветви характеристики зависимость тока от напряжения носит экспонентациальный характер, а после прохождения напряжение через пороговое значение U пр дальнейшее изменение напряжения на десятые доли вольта вызывает значительное изменение тока через диод.
Единственный параметр ВАХ, связанный с физико-конструктивными параметрами и геометрическими размерами активной области диода, является ток насыщения I s .
где q – заряд электрона; n i – собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике; N Db и L pb – коэффициент диффузии и диффузионная длинна неосновных носителей в ней; W b – толщина базы; F – площадь p-n перехода.
ВАХ реального диода отличается от характеристики идеального p-n перехода в силу ряда причин:
· Рекомбинации и генерации дырок и электронов в ОПЗ перехода
· Падения напряжения на объемном сопротивлении базы
· Появления эффектов высокого уровня инжекции при больших токах
· Наличия токов утечки через p-n переход
· Начала пробоя на обратной ветви ВАХ
· Неоднородного легирования базы
· Разогрева p-n перехода выделяемой мощностью
Перечисленные эффекты приводят к тому, что ВАХ диода описывается только качественно.
Обратная ветвь ВАХ образуется суммой трех составляющих:
тока насыщения I s , тока термогенерации в ОПЗ p-n перехода I G и тока утечки I ут . Соотношение между этими составляющими для диодов из разных полупроводниковых материалов различно
Ток термогенерации в p-n-переходе описывается формулой
где δ – ширина p-n-перехода; τ pn – эффективное время жизни, характеризующее темп генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ перехода. Ток зависит от приложенного обратного напряжения через зависимость δ (U ).
Ток утечки обусловлен проводящими каналами внутри p-n-перехода и на поверхности кристалла. Он зависит от площади и периметра перехода и ряда других факторов и имеет примерно линейную зависимость от обратного напряжения.
Прямая ветвь ВАХ реального диода сохраняет экспоненциальную зависимость тока от напряжения, поэтому ее можно описывать выражениями типа:
где I 0 и m – параметры характеристики, которые могут изменяться на различных участках ВАХ.
Сравнение характеристик диодов из различных
материалов
Исследуемые в работе диоды выполнены из различных полупроводниковых материалов, но имеют примерно одинаковые физико-конструктивные параметры. Отличие их характеристик связано с отличием параметров:
· Ширины запрещенной зоны
· Подвижности носителей заряда
· Время жизни носителей заряда и др.
Наибольшее влияние на различие параметров оказывает разница в значениях ширины запрещенной зоны E g . Она определяет собственную концентрацию носителей заряда n i которая входит в выражение параметров ВАХ.
Значение ширины запрещенной зоны E g и n i приведены в приложении 3.
Токи насыщения всех диодов, кроме германиевого, очень малы и составляют единицы наноампер, поэтому основным компонентом обратного тока этих диодов является ток утечки. Основное отличие прямых ветвей ВАХ различных диодов заключается в различном значении тока насыщения. В приложении 3 приведены значения U ПР полученные теоретическим путем у реальных диодов оно может отличаться по ряду причин, в основном из-за падения на объемном сопротивлении базы.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Для исследования вольтамперной характеристики реального диода студентам необходимо произвести сборку схемы эксперимента
Рис. 4. Схема эксперимента
В качестве милиамперметра и вольтметра могут быть использованы цифровой осциллограф либо цифровые мультиметры. В качестве источника используется управляемый источник напряжения на учебном стенде NI ELVIS. В целях обеспечения бесперебойной работы генератора стенда в цепь необходимо включить ограничивающее сопротивление R, значение которого студентам необходимо рассчитать, используя параметры стенда.
После сборки схемы и её проверки преподавателем, студентам необходимо произвести серию экспериментов. Путем регулировки значения напряжения на выходе с генератора и записью показаний приборов в таблицу.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) - зависимость тока, протекающего через сопротивление, от напряжения на этом сопротивлении, выраженная графически. ВАХ могут быть линейными и нелинейными, и в зависимости от этого сопротивления и цепи, содержащие данные сопротивления, разделяются на линейные и нелинейные.
Итак, вольтамперная характеристика - зависимость электрического напряжения от силы тока в электрической цепи или её отдельных элементах (реостате, конденсаторе и др.). У линейных элементов электрической цепи вольтамперная характеристика - прямая линия.
При повышении напряжения, приложенного к полупроводнику, величина тока в нем возрастает значительно быстрее напряжения (рис. 1), т. е. наблюдается нелинейная зависимость между током и напряжением. Если при перемене напряжения U на обратное (-U) изменение тока в полупроводнике имеет такой же характер, но в обратном направлении, то такой полупроводник обладает симметричной вольтамперной характеристикой .
В подбором полупроводников с разного типа электропроводностью (n-типа и р-типа) добиваются несимметричной вольтамперной характеристики
(рис. 2).
В результате этого при одной полуволне переменного напряжения полупроводниковый выпрямитель будет пропускать ток. Это ток, протекающий в прямом направлении Iпр, который быстро возрастает с повышением первой полуволны переменного напряжения.
При воздействии же второй полуволны напряжения система двух полупроводников (в плоскостном выпрямителе) не пропускает тока в обратном направлении Iобр. Очень незначительная величина тока Iобр протекает через р-n-переход вследствие наличия в полупроводниках неосновных носителей тока (электронов в полупроводнике р-типа и дырок в полупроводнике n-типа). Причиной этого является большое сопротивление переходного слоя (р-n-переход), возникающего между полупроводником р-типа и полупроводником n-типа.
С дальнейшим повышением второй полуволны переменного напряжения обратный ток Iобр начнет медленно возрастать и может достигнуть значений, при которых наступит пробой запорного слоя (р-n-перехода).
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика полупроводника
Рис. 2. Несимметричная вольтамперная характеристика полупроводникового выпрямителя (плоскостной диод)
Чем больше отношение величины прямого тока к величине обратного тока (измеренных при одинаковых значениях напряжения), тем лучше свойства выпрямителя. Это оценивается величиной коэффициента выпрямления, представляющего собой отношение прямого тока I’пр к обратному I’обр при одной и той же величине напряжения:
Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р-n) переход (П), разделяющий р- и n-области кристалла полупроводника (рис. 10.2).
К р- и n-области кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.
По конструктивному выполнению различают точечные и плоскостные диоды. Широкое применение диоды получили в источниках вторичного электропитания (выпрямителях).
Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (а следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а вторая, с меньшей концентрацией - базой. Если эмиттером является p-область, для которой основными носителями заряда служат дырки p p , а базой n-область (основные носители заряда - электроны n n), то выполняется условие p p ≥n n .
p p - обозначение дырок в p-области; тогда обозначение дырок в n-области, для которой они являются неосновными носителями зарядов, будет соответственно p n .
Принцип работы. При отсутствии внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, в результате встречной диффузии дырок (из р- в n-область) и электронов (из n- в р-область) в объеме полупроводникового кристалла, расположенного вблизи границы раздела двух областей с различной проводимостью, окажутся некомпенсированными заряды неподвижных ионов примесей (акцепторов для р-области и доноров для n-области), которые по обе стороны раздела полупроводникового кристалла создадут область объемного заряда (рис. 10.2). Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры количество диффундируемых через р-n-переход основных носителей заряда из одной области должно равняться количеству диффундируемых основных носителей заряда из другой области. С учетом того, что концентрация электронов n n в базе значительно меньше концентрации дырок p p в эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет больше, чем со стороны эмиттера, как это показано на рис. 10.2. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает напряженность E зар электрического поля, препятствующего дальнейшей встречной диффузии основных носителей зарядов.
Рис. 10.2. Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов р-n-перехода в отсутствие внешнего напряжения
Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряд недостаточна, чтобы преодолеть созданный потенциальный барьер .
Если к выводам диода приложить прямое напряжение, как это показано на рис. 10.2, то создаваемая им напряженность Е электрического поля будет противоположна направлению напряженности E зар объемного заряда и в область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее количество дырок, являющихся не основными для n-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией n n в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что p p ≥n n .
Если к выводам диода приложить обратное напряжение (-U), то создаваемая им напряженность (-Е) электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью E зар объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряжеяностъ электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда: n p - из р- в n-область и p n - из n- в р-область, которые и образуют обратный ток p-n-перехода. Количество неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением. Поэтому обратный ток, образованный за счет неосновных носителей, называют тепловым током (I 0).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода имеет вид, приведенный на рис. 10.3 (сплошная линия), и описывается выражением
(10.1)
где U Д - напряжение на р-n-переходе;
k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона. Выражение (10.1) соответствует ВАХ идеального р-n-перехода и не отражает некоторых свойств реального диода.
При определенном значении напряжения U обр начинается лавинообразный процесс нарастания тока I обр, соответствующий электрическому пробою р-n-перехода (отрезок АВ на рис. 10.3). Если в этот момент ток не ограничить, электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока I обр характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания тока I обр. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения U обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р-n-переход.
Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Характер изменения прямой ветви ВАХ при изменении температуры показан на рис. 10.3. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения (ТКН), °K -1 .
Этот коэффициент показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 ̊К при некотором значении прямого тока.
Рис. 10.3. Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода
Сопротивления и емкости диода. Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, легко определяемыми по ВАХ. Дифференциальное сопротивление численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как тангенс угла наклона касательной в рассматриваемой рабочей точке Е к оси абсцисс (см. рис. 10.3):
(10.2)
где ∆U и ∆I- конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки Е; mI и mU - масштабы осей тока и напряжения.
Часто представляют интерес не приращения напряжения и тока в окрестности некоторой заданной точки, а сами напряжение и ток в данном элементе. При этом совершенно безразлично, какова характеристика диода вблизи выбранной рабочей точки. В этом случае удобно пользоваться статическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения на элементе U E к протекающему через него току I E (рис. 10.3). Как видно из рисунка, это сопротивление равно тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:
В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение R ст, может быть меньше или больше значения R диф или равно ему. Однако R ст всегда положительно, в то время как R диф может быть и отрицательным. У элементов, имеющих линейные ВАХ, статическое и дифференциальное сопротивления равны.
При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода С Д, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает диффузионную емкость С диф, зарядную (барьерную) емкость С зар и емкость С к корпуса диода:
Диффузионная емкость возникает при прямом напряжении диода в приконтактном слое р-n-перехода за счет изменения количества диффундируемых дырок и электронов при изменении прямого напряжения. Зарядная емкость возникает при обратном напряжении и обусловлена изменением объемного заряда.
Значение емкости С Д определяется режимом работы диода. При прямом напряжении
при обратном напряжении
Классификация диодов представлена в табл. 10.1.
Таблица 10.1 Классификация диодов
Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в практике.
Выпрямительный диод , условное графическое обозначение которого приведено на рис. 10.4, 1, использует вентильные свойства р-n-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют германий и кремний.
Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном - разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения U пр ключ обладает небольшим дифференциальным сопротивлением. Поэтому за счет падения напряжения U пр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения (U пр не превышает у германневых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В; часто за величину U пр для кремниевых диодов принимается напряжение 0,7 В).
Основными параметрами выпрямительных диодов являются:
Iпр ср max - максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;
U обр.доп - допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;
f max - максимально допустимая частота входного напряжения;
U пр - значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе.
Выпрямительные диоды классифируют также по мощности и частоте.
По мощности: маломощные I пр ср max <0,3 A; средней мощности 0,3 A10 A.
По частоте: низкочастотные f max <1000 Гц; высокочастотные f max >1000 Гц.
В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл-полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с р-n-переходом, напряжение U пр и более высокие частотные характеристики.
Импульсный диод - полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий, так же как и выпрямительный диод, при своей работе прямую и обратную ветви ВАХ.
Длительность переходных продресов в диоде (рис. 10.4) обусловлена тем, чтo изменeние направления и значения тока через него при изменении подводимого к нему напряжения не может происходить мгновенно в связи с перезарядом емкости выпрямляющего перехода и инерционными процессами рассасывания инжектированных в базу неосновных носителей заряда. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром - временем восстановления t вос его обратного сопротивления. Время восстановления равно интервалу времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток, который в момент переключения напряжения paвен прямому току, достигнет своего минимального значения.
Рис. 10.4. Переходные процессы в полупроводниковом диоде
Поэтому кроме параметров I пр ср max , U обр, U пр характеризующих выпрямительные свойства, для импульсных диодов вводится параметр t вос, характеризующий быстродействие.
Для повышения быстродействия (уменьшения t вос) импульсные диоды изготовляют в виде точечных структур, что обеспечивает минимальную площадь, р-n-перехода, а следовательно, и минимальное значение зарядной емкости C зар. Одновременно толщину базы делают минимально возможной для достижения минимального времени восстановления диодов.
В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.
Сверхвысокочастотный диод (СВЧ-диод) - полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки высокочастотного сигнала (до десятков и сотен ГГц). Сверхвысокочастотные диоды широко применяются при генерации и усилении электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, умножении частоты, модуляции, регулировании и ограничении сигналов и т. д. Типичными представителями данной группы диодов являются смесительные (получение сигнала суммы или разности двух частот), детекторные (выделение постоянной составляющей СВЧ-сигнала) и переключательные (управление уровнем мощности сверхвысокочастотного сигнала) диоды. Условное графическое обозначение импульсных и СВЧ-диодов аналогично обозначению выпрямительных диодов (рис. 10.0, 1).
Стабилитрон и стабистор применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Отличие стабилитрона от стабистора заключается в используемой ветви ВАХ для стабилизации напряжения. Как видно из рис. 10.3, ВАХ диода имеет участки АВ и CD, на которых значительному изменению тока соответствует незначительное изменение напряжения при сравнительно линейной их зависимости. Для стабилизации высокого напряжения (>3 В) используют обратную ветвь (участок АВ) ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами. Для стабилизации небольших значений напряжений (< 1 В -например, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами. Условное обозначение стабилитрона и стабистора показано на рис. 10.0, 2.
Стабилитроны и стабисторы изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, а следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а с уменьшением степени легирования кремния - повышается. Соответственно различают низко- и высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В.
К основным параметрам стабилитрона относятся:
U ст - напряжение стабилизации при заданном токе;
R диф - дифференциальное сопротивление при заданном токе;
I ст min - минимально допустимый ток стабилизации;
I ст max - максимально допустимый ток стабилизации;
P max - максимально допустимая рассеиваемая мощность;
где ∆U ст - отклонение напряжения U ст от номинального значения при изменении температуры в интервале ∆T.
В схемах двуполярной стабилизации напряжения применяется симметричный стабилитрон, условное графическое обозначение которого показано на рис. 10.0, 3.
Варикап - полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости C зар от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.
Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 10.5) - зависимость емкости варикапа C В, состоящей из зарядной емкости и емкости корпуса прибора, от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости C В может изменяться от единиц до сотен пикофарад.
Рис. 10.5. Вольт-фарадная характеристика варикапа
Основными параметрами варикапа являются:
C В - емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;
K С - коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости C В =f(U обр)и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (K C =2...20).
Зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости
где ∆C В /C В - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры ∆T окружающей среды.
Условное графическое обозначение варикапа приведено на 10.0, 4.
Излучающий диод - полупроводниковый диод, излучающий из области р-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.
По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды; диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие, в свою очередь, название ИК-диоды. Принцип действия обеих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Из курса физики известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала.
Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения в лучшем случае приходится 10...20%. Поэтому кпд светодиодов невелик.
Исходными материалами для изготовления ИК-диодов являются арсенид и фосфид галлия. Полная мощность излучения этой группы диодов лежит в пределах от единиц до сотен милливатт при напряжении на диоде 1,2...3 В и прямом токе от десятков до сотен миллиампер.
Условное графическое обозначение излучающих диодов показано на рис. 10.0, 5.
Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды - в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.
Loading...