Как устроены и работают полупроводниковые диоды. Принцип работы полупроводникового диода1. Полупроводниковые диоды1.1. Принцип работы диодаОсновой современных полупроводниковых приборов является кремний или германий. Чтобы полупроводниковый элемент был пригоден для создания электронного устройства, в него необходимо добавить примесь. Существует два типа полупроводников c примесями: n–типа и p–типа. Для получения полупроводника n–типа в него добавляют донорную примесь (например, мышьяк, сурьма), которая обеспечивает появление в межатомном пространстве свободных электронов, а в кристаллической решетке появляется такое же количество неподвижных положительных ионов донора. Для получения полупроводника р–типа в него добавляют акцепторную примесь (например, индий, галлий), которая обеспечивает появление в межатомном пространстве свободных дырок, а в кристаллической решетке появляется такое же количество неподвижных отрицательных ионов акцептора. Дырка – это место в кристаллической решетке полупроводника, где недостает электрона. Положительный ион – это атом, потерявший электрон, а отрицательный ион – это атом, получивший электрон. В твердых телах атомы неподвижны, т.к. закреплены в узлах кристаллической решетки. В полупроводниках n–типа ток переносят отрицательно заряженные частицы – электроны, а в полупроводниках p–типа – положительно заряженные частицы – дырки. Перемещение дырок – это перемещение мест с отсутствующими электронами в результате движения электронов. Основой полупроводникового диода является двухслойная структура, созданная на основе кристалла полупроводника, имеющего две области. В одну область кристалла вводится донорная примесь (n- область), а в другую – акцепторная (p- область). Структура полупроводникового диода имеет вид, показанный на рис.1. Граница раздела двух областей с различной проводимостью называется. p-n переходом. Из-за встречной диффузии через p-n переход дырок (из р- в n- область) и электронов (из n- в р- область) в тонком слое вблизи p-n перехода происходит рекомбинация (взаимная компенсация) дырок и электронов (дырки заполняются электронами). В результате между р- и n- областями образуется так называемый обедненный слой, который имеет очень мало свободных носителей заряда. Как только электроны покидают n- область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних положительных ионов, который будет тянуть свободные электроны обратно и препятствовать их движению в сторону р-n перехода. Точно также, когда дырки покидают p- область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних отрицательных ионов, который будет тянуть свободные дырки обратно и препятствовать их движению в сторону р-n перехода. Заряды неподвижных ионов примесей оказываются не скомпенсированы и создадут по обе стороны p-n перехода область объемного заряда – рис.1. Этот объемный заряд образует потенциальный барьер. Энергия носителей зарядов оказывается недостаточной, чтобы преодолеть этот барьер, поэтому их диффузия прекращается. Если к полупроводниковому диоду приложить внешнее напряжение так, чтобы его положительный потенциал присоединен к p-слою, то дырки и электроны будут как бы отталкиваются источником внешнего напряжения в сторону р-n перехода. Потенциальный барьер уменьшается, переход зарядов через границу и их взаимная компенсация возрастают, следовательно, через диод будет протекать ток. Источник будет поставлять в n-слой новые электроны, а в p-слое создавать новые дырки. При противоположном знаке напряжения электроны притягиваются к положительному потенциалу источника, а дырки к отрицательному, потенциальный барьер в области p-n перехода увеличивается, переход зарядов через границу и, следовательно, ток через диод может прекратиться. Полупроводниковый диод – это своеобразный конденсатор: области n и p можно рассматривать как обкладки конденсатора, а p-n переход–как изолятор между обкладками. Различают диффузионную (при прямом приложенном напряжении) и барьерную (при обратном напряжении) емкости диода. Емкость полупроводникового диода– это бесплатное приложение к его основному свойству–к односторонней проводимости. Во многих случаях это свойство является вредным, т.к. ухудшает работу диода на высоких частотах, в импульсных режимах и обуславливает его инерционность. Изображение диода на электрической схеме показано на рис. 2. Вывод p-слоя называется анодом(А). Вывод n-слоя называетсякатодом(К). Включение диода в простейшую электрическую цепь показано на рис. 3, 4. На рис.3 диод является проводником, поэтому в цепи должен быть элемент, ограничивающий ток. Таким элементом является резистор Rн. Ток через него равен: I=(U Uпр)/Rн.Uпр0, поэтому I=U/Rн; URн=IRн=U. При обратном включении диода через него протекает незначительный обратный ток. Для диодов на малые токи обратный ток может составлять десятки нА, у больших диодов десятки mА. Схема при обратном включении диода представлена на рис. 4. Для нее U=URн+Uобр, URн=IобрRн0, т.к. Iобр0, поэтому U=Uобр. Часто диод включен в схему, где приложенное напряжение является переменным. Виды этих напряжений: 1. Синусоидальное, показано на рис. 5. 2. Прямоугольное, показано на рис.6 3. Треугольное. 4. Экспоненциальное. studfiles.net 5. Полупроводниковые диоды и их применение5. Полупроводниковые диоды и их применение. 5.1. Полупроводниковый p-n-переход и выпрямительные диоды Полупроводниковые диоды относятся к обширному классу полупроводниковых приборов, применяющихся при построении электронных информационных систем, а также в устройствах управления, измерения и радиотехники. Слово “диод” образовано от греческих слов “ди”-два и сокращенного “(электр)од”. Упрощенная структура и условное графическое обозначение диода, приведены на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Основой всех типов диодов, изготавливаемых промышленностью, является p-n-переход, поэтому рассмотрим физические принципы его работы. Полупроводниковый переход и его свойства. Полупроводниковым переходом называют тонкий слой между nиpполупроводниками.N область перехода, легированная донорной примесью, имеет электронную проводимость.P область, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость. Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей. Для p-n-переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает. Устройство p-n-перехода показано на рис. 5.1, а. Электроны в n области диффундируют вpобласть и там рекомбинируют с дырками до тех пор, пока не установится динамическое равновесие. Аналогично, дырки изpобласти перемещаются вn область. В результате встречного движения противоположных ионов возникает так называемый диффузионный ток. Оно достигается вследствие образования у металлургического контакта некомпенсированного отрицательного заряда акцепторных атомов (дырки, компенсировавшие этот заряд, рекомбинировали). Точно такой же, но положительный заряд возникает в слоеnиз-за ушедших электронов. Область объемных зарядов, имеющую весьма малую концентрацию носителей заряда, называют обедненным слоем. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено на рис. 5.2. Внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Есобств, направление которого показано на рис. 5.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда (металлургический контакт). На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным. Поле на границе p-n-перехода определяется тепловым потенциалом: (6.1) где k=1,38*10-24Дж/К – постоянная Больцмана;q=1,6*10-19Кл – заряд электрона;Т– термодинамическая температура. При комнатной температуре=25,5 мВ. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-п-переходу. Если внешнее напряжение создает вp-n-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается. При обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью. Вольтамперная характеристика р-n-перехода представляет собой
Рис.5.2 зависимость тока через переход при изменении на нем приложенного напряжения. Если оно снижает потенциальный барьер, то его называют прямым, а если повышает — обратным. Приложение прямого напряжения к p-n-переходу показано на рис. 5.1,б. При прямом смещении p-n-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдяp-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которого они являются неосновными носителями. При этом концентрация неосновных носителей может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей. Обратный ток через p-n-переход вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Итак, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается Iобр=Is При протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную область будет производится инжекция электронов, а из дырочной области будет осуществляться инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально: (5.1) (6.2) где U— напряжение наp-n-переходе. Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (5.1) и тока проводимости: (5.2) (6.3) Уравнение (5.2) называется уравнением Молла —Эберса, а соответствующая ему вольтамперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 5.3, а. Поскольку при300 К тепловой потенциалT=25мВ, то уже приU=0,1 В можно считать, что (6.4) Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов (0,15-0,2 В для Ge и 0,45-0,65 для Si). Допустимые (предельные) температуры: для Ge – 80-90 °С, для Si – до 120 °С. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения не основных носителей и называется лавинным пробоем. При лавинном пробое p-n-перехода ток через переход сильно возрастает при неизменном напряжении на нем, как показано на рис. 5.3, а.
Рис. 5.3, а. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др. Выпрямительные диоды большой мощности называют "силовыми”. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенид галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц. Основные параметры диодов Uобр, Iпр, Iпр имп, Uотр (см. рис. 5.3,б).Для разных типов выпрямительных диодов обратное напряжениеUобр maxлежит в пределах от десятков до нескольких тысяч вольт, средний прямой токIпр. ср– в пределах от единиц миллиампер до нескольких десятков ампер, а обратный токIобр – от десятков наноампер до сотен миллиампер. Время обратного восстановления диодаtвосявляется основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпрна заданное обратное напряжениеUобр. Диоды, предназначенные для работы в импульсном режиме, дополнительно характеризуется максимально допустимым прямым током Iпр имп при заданной длительности импульса (обычно несколько десятков микросекунд). Как правило, этот ток на порядок превосходит средний прямой ток. Когда обратное напряжение превышает некоторое значение Uобр max, определяемое для каждого типа диода, возникает пробой p-n-перехода: сначала туннельный и лавинный, а потом тепловой. Первые два типа пробоя являются обратимыми, т. е. после снятия напряжения свойства p-n-перехода восстанавливаются, а третий тип (необратимый) приводит к порче диода и поэтому недопустим.
Рис. 5.3, б. Вольт-амперная характеристика диода на характеристике нет порога напряжения отпирания , U*, лишний ток Iпр 5.2. Применение выпрямительных диодов. 5.2.1. Силовые выпрямители. Вентильные преобразователи переменного тока в постоянный называют выпрямителями. Они играют большую роль в технике, так как производство и распределение электрической энергии экономичней организовать на переменном токе, а многие виды устройств (компьютеры, контроллеры, осциллографы, мониторы, аудио-видео техника и т.д.) требуют для своей работы постоянный ток. Именно по этому их часто называют источниками питания. Выпрямители применяют не только в силовых установках, но и в измерительных и управляющих цепях информационных, вычислительных и управленческих систем. Напряжение сети переменного тока рассчитано на наиболее экономичную передачу энергии на значительные расстояния и многим потребителям, а последним необходимы весьма разнообразные напряжения питания. Поэтому составной частью выпрямителей являются трансформаторы (понижающие или повышающие), которые с высоким КПД преобразуют напряжение сети в напряжение на входе диодной схемы, которая и преобразует переменное напряжение в требуемое постоянное. Простейшая схема преобразователя переменного напряжения (рис. 5.4, б) в постоянное (рис. 5.4, в) изображена на рис. 5.4, а. Само преобразование состоит в отсечке пути тока через нагрузку в отрицательный (положительный) полу период вторичного напряжения трансформатора u2с помощью элементов с односторонней проводимостью — выпрямительных диодов.
Рис. 5.4. Диод изображен с ошибкой, нет индексов и обозначений на схеме нахождения напряжений Средний ток через диод равен току нагрузки: Iд. ср.=Iн. Средний допустимый ток должен быть больше тока нагрузкиIср. доп.>Iн.Допустимое напряжение на диоде должно быть при наличии конденсатора фильтра больше в два раза, чем напряжение нагрузки Uд доп>2Uн. Уменьшения пульсации достигают применением или трехфазного выпрямителя, или включением после диодной схемы элементов, ток (напряжение) в которых не может исчезнуть мгновенно. Эти элементы входят в фильтр, сглаживающий пульсации. Фильтр изменяет режим работы вентилей, входящих в диодную схему. Характер этих изменений зависит от того, каким является первый элемент фильтра, индуктивным или емкостным. Наиболее употребительные схемы однофазных выпрямителей для источников питания электронных схем изображены на рис. 5.5. В схеме на рис. 5.5,а. в тот момент, когда полярность напряжений на трансформаторе такая, как показано без скобок, при напряжении u21, большем напряжения на конденсаторе (рис. 5.5, б), диод Д1 откроется, а диод Д2 будет закрыт, посколькуu22< 0 и к нему прикладывается обратное напряжение, равноеu22+Uн. Конденсатор начнет заряжаться (рис. 5.5,в), и напряжение на нем и на нагрузке увеличится. Оно будет несколько меньшеu21из-за падения напряжения в цепи заряда конденсатора на активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора, сопротивлении соединительных проводов и диоде. Таким образом, ток, заряжающий конденсатор, идет только во время части полупериода, т, е. является импульсным (рис. 5.5,а). Диод Д1 закроется после того, как напряжение u21станет меньшеUн. В это время закрытыми диодами нагрузка отделяется от трансформатора, и конденсатор начинает разряжаться, но благодаря большой емкости достигается малое уменьшение напряжения на конденсаторе и на нагрузке (рис.5.5, в). При смене полярности напряжения на трансформаторе на указанную в скобках диод Д1 будет все время закрыт напряжением u21+Uн, а второй диод откроется , подсоединив вторичную обмотку трансформатора к нагрузке, когдаu22>Uни процесс заряда конденсатора повторится. Напряжение на нагрузке все-таки остается пульсирующем, хотя и в меньшей степени. Оно содержит постоянную составляющую и четные гармоники напряжения сети. Качество выпрямленного напряжения принято оценивать с помощью коэффициента пульсации, который представляет собой отношение действующего значения всех переменных составляющих напряжения (тока) к постоянной составляющей, (5.3)(7.1) обычно добиваются малого kп, поэтому чаще всего достаточно в выражении (5.3) учесть только первое слагаемое под корнем, т. е.kп=Uн2/Uн0. При наличии конденсатора напряжение Uн0близко к амплитуде напряжения вторичной обмотки U2m=U2в режиме холостого хода. Обратное напряжение диодов Uобрприближается к двойной амплитуде вторичного напряжения.
Рис. 5.5. Основные параметры двухполупериодного выпрямителя: Uобр. доп.2UН , Iср. доп.>IН/2, Iимп. макс.Iн *Q. В однофазном мостовом выпрямителе (рис. 5.6) наблюдаются аналогичные процессы. Ток сначала проходит через первый и второй диоды, а потом через третий и четвертый. Причем к паре диодов, находящихся в закрытом состоянии, прикладывается напряжение, в два раза меньшее, чем в предыдущем случае, т. е. Uобр=(7.2) Преимуществом мостовой схемы по сравнению с предыдущей является более простой трансформатор и меньшее обратное напряжение диодов, что иногда компенсирует увеличение числа диодов.
Рис. 5.6. Ошибка при начертании диодов Для упрощения сборки и уменьшения габаритов выпрямителей в настоящее время промышленностью выпускаются блоки из четырех диодов, соединенных по мостовой схеме. Указанные обстоятельства являются причиной более широкого применения мостовой схемы на практике. Основные характеристики мостового двухполупериодного выпрямителя: Uобр. доп.1.1*UН, Icр.диод.>IН/2, Iимп. макс.IН*Q, . studfiles.net Как устроены и работают полупроводниковые диодыДиод – простейший полупроводниковый прибор. Диод представляет собой пластинку полупроводника (германий), в левой половине которого имеется акцепторная примесь, а в правой – донорная. При этом левая часть называется полупроводником типа Р, правая – типа N. Свойства полупроводникового диода, как и любого другого полупроводника, определяются границей между левой и правой частями полупроводника, т.н. Р-N переходом (рисунок 1). В отличии от тиристоров и транзисторов, диод имеет один Р-N переход. Главной отличительной особенностью диода является односторонняя проводимость электрического тока. Рисунок 1 – Строение диода и его обозначение на электрической схеме. Конструктивно диод представляет собой двухвыводной полупроводниковый элемент. Выводы диода обозначаются как анод и катод. Рассмотрим физические процессы, происходящие на границе Р-N перехода в различных состояниях диода. 1. Диод в состоянии покоя (выводы диода некуда не подключены). В этом состоянии области полупроводника N и Р характеризуются наличием отрицательного и положительного заряда соответственно. Взаимодействие этих зарядов создает электрическое поле (рисунок 2).  Рисунок 2. Как известно, разноименные заряды обладают свойством притягиваться, поэтому электроны (отрицательные носители заряда из зоны N) проникают в положительно заряженную зону Р, заполняя при этом некоторые дырки. Движение электронов – есть не что иное, как электрический ток. Величина этого тока незначительна. Однако, заряженные частицы стремятся равномерно распространиться по всему объему (проводнику), поэтому часть электронов возвращается назад в зону N. 2. Включение полупроводникового диода в обратном направлении (рисунок 3).  Рисунок 3. При обратном включении диода (область N подключена к «+» источника питания, область Р – к «-» источника питания) ток через Р-N переход не пройдет. Это обусловлено тем, что электроны устремятся к положительному полюсу источника питания, положительные заряды (дырки) – к отрицательному полюсу источника питания. На границе Р-N перехода образуется «вакуум», в котором отсутствуют какие-либо носители заряда. Увеличение обратного напряжения источника питания приведет к еще большему увеличению зоны в области Р-N перехода без носителей заряда. Помимо понятия «обратного напряжения» существует понятие и «обратного тока». Обратный ток – ток, протекающий через границу Р-N перехода, вызванный перемещением неосновных носителей заряда, которые двигаются, как и основные, но в обратном направлении. Величина обратного тока мала, т.к. число носителей невелико. Однако повышение температуры полупроводникового диода приводит к увеличению сила неосновных носителей заряда и увеличению обратного тока, который может привести к разрушению Р-N перехода. Для снижения температуры полупроводников применяют пассивные (радиаторы) и активные (вентиляторы) теплоотводы. 3. Включение полупроводникового диода в прямом направлении (рисунок 4).  Рисунок 4. Прямое включение диода вызовет смещение электронов и дырок от отрицательного и положительного выводов источника к питания соответственно в сторону Р-N перехода. В результате этого смещения в области Р-N перехода образуется электрическое поле, способствующее перемещению электронов в область Р и их устремление к положительному выводу источника питания. Таким образом, через диод протекает прямой ток. Принцип действия диода подобен механическому вентилю, поэтому диоды еще называют полупроводниковыми вентилями. Всего комментариев: 0  ukrelektrik.com Полупроводниковые диоды - типы, принцип работыПолупроводниковый диод - это электронный прибор, выполненный на основе полупроводникового кристалла. Стоит заметить, что технологий изготовления диодов достаточно много, но рассмотрение принципа работы полупроводникового диода на молекулярно - электронном уровне целью данной статьи не является. Дело в том, что для большинства практических целей достаточно знать основные параметры, назначение, общие принципы действия различных типов диодов, схемы подключения. Области применения полупроводниковых диодов весьма разнообразны, ниже я их конспективно перечислю, а вопросы применения наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов подробно рассмотрю на соответствующих страницах. Выпрямительные диоды обладают высоким сопротивлением при обратном включении и низким - при прямом, то есть хорошо проводят ток только в одном направлении. Высокочастотные и импульсные диоды имеют схожий принцип действия с предыдущим типом полупроводниковых приборов, однако, за счет малой собственной емкости могут работать на высоких частотах, что, собственно, следует из их названия. Стабилитроны - при определенных значениях обратного напряжения обратный ток стабилитрона резко увеличивается, что позволяет использовать их как стабилизатор напряжения. Светодиоды (LED диоды) преобразуют электрическую энергию в световую, широко используются как индикаторы и осветительные устройства (см., например, светодиодная лента). Фотодиоды преобразуют оптическое излучение в электрический заряд. Могут использоваться как источники электроэнергии (солнечные батареи), кроме того, совместно со светодиодами применяются в пультах дистанционного управления, а также могут обеспечивать гальваническую развязку в электронных схемах. Варикапы обладают зависимостью своей емкости от приложенного напряжения. Являются своего рода электронно управляемыми конденсаторами переменной емкости. © 2012-2018 г. Все права защищены. Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов eltechbook.ru 10.2 Полупроводниковые диоды.Полупроводниковым диодомназывают 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- иn-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 pp, а базой n-область (основные носители заряда — электроны nn), то выполняется условиеpp≥nn. pp— обозначение дырок в p-области; тогда обозначение дырок в n-области, для которой они являются неосновными носителями зарядов, будет соответственно pn. Принцип работы.При отсутствии внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, в результате встречной диффузии дырок (из р- в n-область) и электронов (изn- 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 дляn-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 nnв базе значительно меньше концентрации дырок ppв 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 Eзарэлектрического 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 Eзаробъемного заряда и в область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее количество дырок, являющихся не основными дляn-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией nnв область эмиттера можно пренебречь, учитывая, чтоpp≥nn. Если к выводам диода приложить обратное напряжение (-U), то создаваемая им напряженность (-Е) электрического поля, совпадая по направлению с напряженностьюEзаробъемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряжеяностъ электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда:np- из р- вn-область иpn- изn- в р-область, которые и образуют обратный токp-n-перехода. Количество неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением. Поэтому обратный ток, образованный за счет неосновных носителей, называюттепловым током(I0). Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диодаимеет вид, приведенный на рис. 10.3 (сплошная линия), и описывается выражением (10.1) где UД- 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 Uобрначинается лавинообразный процесс нарастания токаIобр, 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 токаIобрхарактерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания токаIобр. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряженияUобрработа 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 UEк протекающему через него току IE(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 Rст, может быть меньше или больше значенияRдифили равно ему. ОднакоRствсегда положительно, в то время какRдифможет 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 СД, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает диффузионную емкость Сдиф, зарядную (барьерную) емкость Сзари емкость Сккорпуса 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 СДопределяется режимом работы диода.При прямом напряжении
при обратном напряжении
Классификация диодовпредставлена 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 Uпрключ обладает небольшим дифференциальным сопротивлением. Поэтому за счет падения напряжения Uпрна открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения (Uпрне превышает у германневых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В; часто за величину Uпрдля 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; Uобр.доп— допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода; fmax— максимально допустимая частота входного напряжения; Uпр— значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе. Выпрямительные диоды классифируют также по мощности и частоте. По мощности: маломощные Iпр ср max<0,3A; средней мощности 0,3A<Iпр ср max<10A; большой мощностиIпр ср max>10A. По частоте: низкочастотные fmax<1000 Гц; высокочастотныеfmax>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, напряжениеUпри 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, чтoизменeние 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 восстановленияtвосего 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 напряженияpaвен прямому току, достигнет своего минимального значения.
Рис. 10.4. Переходные процессы в полупроводниковом диоде Поэтому кроме параметров Iпр ср max, Uобр, Uпрхарактеризующих выпрямительные свойства, для импульсных диодов вводится параметр tвос, характеризующий быстродействие. Для повышения быстродействия (уменьшения tвос) импульсные диоды изготовляют в виде точечных структур, что обеспечивает минимальную площадь, р-n-перехода, а следовательно, и минимальное значение зарядной емкости Cзар. 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 стабисторприменяются 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 иCD, 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 (участокCD) 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: Uст— напряжение стабилизации при заданном токе; Rдиф— дифференциальное сопротивление при заданном токе; Iст min— минимально допустимый ток стабилизации; Iст max— максимально допустимый ток стабилизации; Pmax— максимально допустимая рассеиваемая мощность;
где ∆Uст— отклонение напряженияUстот 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 Cзарот 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 CВ, состоящей из зарядной емкости и емкости корпуса прибора, от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости CВможет изменяться от единиц до сотен пикофарад.
Рис. 10.5. Вольт-фарадная характеристика варикапа Основными параметрами варикапа являются: CВ— емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении; KС— коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости CВ=f(Uобр)и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (KC=2...20). Зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости
где ∆CВ/CВ— 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. studfiles.net |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
