Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан в основном на использовании свойств р-n перехода. (Но есть диоды без использования р-n-перехода).

1.3.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Используется свойство односторонней проводимости р-n-перехода. Электрод с большей концентрацией основных носителей называется эмиттером (Э), электрод с меньшей концентрацией основных носителей – базой (Б).

Основной характеристикой выпрямительного диода является его вольт-амперная характеристика. На рисунке 1.5 приведены ВАХ р-n-перехода (1) или теоретическая и диода (2) или реальная.

Отличия реальной ВАХ от теоретической:

а) в области малых прямых токов характеристики совпадают, в области больших прямых токов становится значительным падение напряжения на сопротивлении полупроводников и электродов. Характеристика идет ниже и почти линейно;

б) при повышении обратного напряжения ток медленно растет в результате:

1) термической генерации носителей в переходе. С увеличением ширины перехода увеличивается его объем и увеличивается число генерируемых носителей, т.е. увеличивается тепловой ток. Обратное допустимое напряжение до 400 вольт, допустимая температура до (60-70)°С;

2) поверхностной проводимости р-n перехода за счет ионных и молекулярных пленок на поверхности перехода.

 

Соединение диодов.

Иногда используется параллельное или последовательное соединение диодов:

а) если Uобр.>Uобр. доп., то используется последовательное соединение (см. рисунок 1.6,а). Для выравнивания обратных сопротивлений диодов необходимо их шунтировать резисторами Rш, чтобы равномерно разделить обратные напряжения на вентилях. Rш=(0,1¸0,2)Rобр ;

б) если Iпр.>Iпрдоп., то применяется параллельное соединение диодов (см. рисунок 1.6,б). При этом для выравнивания прямых сопротивлений диодов последовательно с ними включаются резисторы с малым сопротивлением Rдоб = (5¸10)Rд. прям.

1.3.2 Стабилитроны или опорные диоды

Стабилитроны − это кремниевые плоскостные диоды с нормированным напряжением пробоя и резким возрастанием обратного тока в точке пробоя. Напряжение на нем сохраняется с определенной точностью при изменении проходящего через него тока в заданном диапазоне. Принцип действия диода основан на использовании лавинного пробоя.

За счет высокой концентрации примесей и узкого перехода лавинный пробой наступает при низких обратных напряжениях. Так как рассеиваемая мощность мала, лавинный пробой не переходит в тепловой.

Выпускаются промышленностью:

а) стабилитроны общего назначения, которые используются в схемах стабилизации источников питания, ограничителях напряжения;

б) прецизионные – с высокой точностью стабилизации и термокомпенсации уровня напряжения;

в) импульсные – для стабилизации постоянного и импульсного напряжения;

г) двуханодные – в схемах стабилизаторов напряжения, ограничителях напряжения различной полярности;

д) стабисторы – для стабилизации малых значений напряжений и как термокомпенсирующие элементы для поддержания заданного напряжения стабилизации при изменении температуры.

Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 1.7,а. На рисунке 1.7,б изображен параметрический стабилизатор напряжения, принцип работы которого заключается в том, что при изменении напряжения Е изменяется ток, протекающий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно ему нагрузке практически не меняется.

Построим линию нагрузки E = IСТ Rб + UСТ на вольт-амперной характеристике стабилитрона. При IСТ = 0UСТ = Е, при UСТ = 0 IСТ =E/Rб. Соединим эти точки. При увеличении Е линия нагрузки сдвинется параллельно влево, рабочая точка (точка пересечения линии нагрузки с ВАХ) смещается вниз, т.е. ток через стабилитрон увеличится. Излишек напряжения падает на балластном сопротивлении Rб, а напряжение на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке останется тем же.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

а) напряжение стабилизации UСТ;

б) минимальный IСТ min и максимальный IСТ mах токи стабилизации;

в) максимально допустимая рассеиваемая мощность Рmах ;

г) дифференциальное сопротивление rдф = dUCТ / dICТ ;

д) температурный коэффициент напряжения (ТКН) − отношение относительного изменения UCT к абсолютному изменению температуры при постоянном токе стабилизации..

Для стабилизации низких напряжений до 1 В используется прямая ветвь ВАХ кремниевого диода, называемого стабистором.

1.3.3 Варикапы

Принцип действия варикапа основан на зависимости барьерной емкости р-n перехода от приложенного обратного напряжения. Варикап представляет собой управляемую емкость. Варикапы также называются параметрическими диодами и варакторами. Емкость варикапа обратно пропорциональна приложенному обратному напряжению.

Варикапы изготавливаются из кремния. Используются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Чаще всего применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты.

1.3.4 Туннельные диоды

В основу работы диода положен туннельный эффект.

Диод построен на основе вырожденных полупроводников. Концентрация примесей – 1021 см-3, поэтому диод имеет очень узкий р-n переход.

Вольт-амперная характеристика приведена на рисунке 1.8. ВАХ имеет участок отрицательного сопротивления (аб). Туннельный эффект имеет место при обратном и небольшом прямом напряжениях, пока дно зоны проводимости ниже потолка валентной зоны (участок г0аб). На участке бв – диффузия.

Туннельные диоды изготавливаются из германия, кремния и арсенида галлия. Применяются для усиления, генерации, преобразования сигнала.

1.3.5 Обращенные диоды

Обращенные диоды – это диоды с концентрацией примесей (1019 см-3) меньше, чем у туннельных. Энергетические уровни не перекрываются, уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны р-области и дном зоны проводимости n-области, и туннельный эффект сохраняется только при обратном напряжении. Вольтамперная характеристика приведена на рисунке 1.9. Здесь на участке 0г имеет место туннельный эффект, а на участке 0бв – диффузия.

Используются диоды в схемах для индикации и детектирования слабых сигналов, в переключательных схемах, детекторах.

1.3.6 Диоды Шоттки

В основе работы диода Шоттки используется выпрямляющий контакт (п. 1.2), металл-полупроводник, который изготавливается из качественного кремния с молибденом, нихромом, золотом, платиной или алюминием.

Диод Шоттки работает на основных носителях, отсутствует инжекция неосновных носителей, диффузионная емкость около нуля, выше быстродействие, так как оно определяется только барьерной емкостью. Это определяет эффективность применения диодов Шоттки в высокочастотных аналоговых и цифровых схемах.

В таблице 1.1 приведены условные графические обозначения диодов.

Т а б л и ц а 1.1