Полупроводниковые приборы — диод. Устройство диода полупроводникового

Устройство полупроводникового диода.

Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n - переходов. Условное графическое обозначение диода и его структура представлены на рис. 2а. Электрод диода, подключенный к области P, называют анодом, а электрод, подключенный к области N - катодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на 2 группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные 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.

При большом токе через p-n - переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. ВАХ выпрямительного диода имеет вид:

, (5)

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называется последовательным сопротивлением.

Следует отметить, что на показанной статической ВАХ (рис. 2б) масштаб первого и четвертого квадрантов отличается от масштаба второго и третьего, т.к. обратный ток диода несоизмеримо мал по сравнению с прямым. Поэтому, если начертить всю ВАХ в одном масштабе, то кривая обратного тока сольется с осью .

2 полупроводниковые выпрямители

Однополупериодные выпрямители.

Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рис. 3а) является простейшей из известных схем выпрямления. Для упрощения анализа будем считать диод и трансформатор идеальными, т. е. полагаем, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, в обратном - бесконечности, а активные и реактивные сопротивления обмоток трансформатора равны нулю.

Рис. 3. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя (а),

и основные диаграммы (б)

В течение первого полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, когда на аноде диода VD потенциал будет положительный относительно катода, диод открыт. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет непосредственно приложено к нагрузке и в ней возникнет ток (рис. 3б), который будет повторять форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора, так как трансформатор идеальный. В течение второго полупериода на аноде диода VD будет относительно катода отрицательный потенциал, диод закрыт, а ток в нагрузке окажется равным нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, его постоянную составляющую в пределах периода, можно найти из следующего равенства (см. рис. 3б):

. (6)

Если напряжение изменяется по синусоидальному закону , то

. (7)

Заменив амплитудное значение напряжения его действующим значением ( ), получим:

. (8)

Отсюда:

, (9)

т. е. действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора в 2,22 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке. Постоянную составляющую выпрямленного тока

можно подсчитать по формуле:

. (10)

Обычно значение напряжения , так же как тока, задается при расчете выпрямителя.

Если напряжение сети известно, то коэффициент трансформации трансформатора, необходимый для обеспечения заданного напряжения на нагрузке, должен быть равен

. (11)

Из работы схемы следует, что в течение тех полупериодов, когда диод закрыт, к нему приложено напряжение, равное напряжению на вторичной обмотке трансформатора, причем это напряжение имеет обратную для диода полярность. Максимальная величина этого напряжения, называемая обратным напряжением

, равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора

, т. е.

(12)

Таким образом, максимальное обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

При проектировании однополупериодных выпрямителей важно правильно выбрать тип диода, который удовлетворительно работал бы в такой схеме. Этот выбор проводят на основании следующих соображений:

· диод должен обладать определенной электрической прочностью, т. е. допустимое обратное напряжение для диода должно быть больше или равно расчетному обратному напряжению схемы:

, (13)

где

- максимально допустимое обратное напряжение выбранного диода.

Если неравенство (13) не выполняется, необходимо либо взять диод с более высоким допустимым обратным напряжением, либо включить несколько однотипных диодов последовательно.

· Во-вторых, допустимый ток диода должен превышать величину . Поэтому необходимо, чтобы

. (14)

Если неравенство (14) не выполняется, то необходимо подобрать диод с более высоким значением или включить несколько однотипных диодов параллельно друг другу.

Из рис. 3бвидно, что напряжение на нагрузке пульсирует, достигая максимального значения один раз за период, такую кривую напряжения можно представить в виде суммы постоянной составляющей и ряда синусоид различной амплитуды и частоты. Постоянная составляющая

, т.е. среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, была определена ранее (8). Из переменных составляющих выпрямленного напряжения наибольшую амплитуду имеет составляющая самой низкой (основной) частоты, т. е. амплитуда первой гармоники. Можно доказать, что для однополупериодной схемы амплитуда первой гармоники:

. (15)

Частота первой гармоники равна частоте сети так как кривая напряжения на нагрузке достигает максимального значения один раз за период.

Пульсации напряжения на нагрузке оцениваются коэффициентом пульсаций:

. (16)

Для однополупериодной схемы коэффициент пульсаций с учетом (15):

, (16)

т. е. амплитуда первой гармоники в 1,57 раза больше выпрямленного напряжения.

По вторичной обмотке проходит постоянная составляющая тока нагрузки . Она подмагничивает сердечник трансформатора. В стали трансформатора возникают потери, увеличивается ток холостого хода трансформатора и снижается КПД всего устройства.

Для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали трансформатора приходится увеличивать сечение его сердечника. Это увеличивает габариты и массу всего выпрямителя.

Постоянная составляющая тока в отличие от переменных не трансформируется в первичную обмотку трансформатора, поэтому для определения величины и формы тока в первичной обмотке нужно вычесть из тока вторичной обмотки постоянную составляющую и мгновенные значения тока изменить в п раз:

, (17)

или

, (18)

где п - коэффициент трансформации.

Из (10) находится амплитуда тока вторичной обмотки , поэтому:

, (19)

ток первичной обмотки несинусоидален.

Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, определяется по формуле:

. (20)

При определении мощности трансформатора необходимо учитывать не только постоянные, но и переменные составляющие тока и напряжения. Эта мощность называется габаритной и определяется действующими значениями тока и напряжения:

, (21)

где - габаритные мощности вторичной и первичной обмотки трансформатора.

В однополупериодной схеме выпрямления габаритная мощность вторичной обмотки больше, чем первичной, из-за наличия постоянной составляющей в токе вторичной обмотки, следовательно, габаритная мощность трансформатора также возрастает. Это является недостатком однополупериодной схемы выпрямления.

Коэффициентом использования трансформатора называется отношение полезной мощности выпрямителя к габаритной мощности трансформатора:

. (22)

Большой коэффициент пульсации, большие размеры трансформатора вследствие плохого использования его обмоток, большое обратное напряжение на диод ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления, несмотря на ее простоту.

infopedia.su

Полупроводниковые приборы — диод / Хабр

Введение

Каждый технически грамотный человек должен знать электронику. Подавляющее большинство устройств современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. По этому в рамках этой статьи, я бы хотел рассказать о диодах. Конечно, не зная основных свойств полупроводников, нельзя понять, как работает транзистор. Но одного знакомства только со свойствами полупроводников не достаточно. Необходимо разобраться в очень интересных и не всегда простых явлениях.

Краткая справка

Электро-дырочный переход (p-n переход) — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле. Диоды — это полупроводниковые приборы, основой которых является p-n переход. В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электро-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Используемое свойство перехода

Выпрямительный — асимметрия вольт-амперной характеристики
Стабилитрон — пробой
Варикап — барьерная ёмкость
Импульсный — переходные процессы

Познакомимся с ними подробнее.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного сигнала в постоянный. Рассмотрим принцип действия простейшего однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.Описание работы При поступлении от первичного источника переменного напряжения, диод будет открыт на положительной полуволне и закрыт на отрицательной. В результате на полуволне через диод и сопротивление нагрузки будет протекать ток. конденсатор при этом заряжается до значения, близкого к пиковому. При уменьшении напряжения во входной цепи диод запирается. При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки. Недостатком является то, что выпрямительное напряжение сильно зависит от сопротивления нагрузки и имеет большую амплитуду пульсаций. Поэтому такие выпрямители применяются только при высокомерных нагрузках. Для формирования Импульсов применяются амплитудные ограничители, которые могут быть последовательными и параллельными. В последовательных диодных ограничителях диод включается последовательно с сопротивлением нагрузки.

Варикапы

Варикап — полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости. Эти параметрические диоды работают в обратном направлении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемой не механически, а электрически, при изменении обратного напряжения. Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров. Простейшая схема включения варикапа в колебательный контур на рисунке. Описание работы Настройка колебательного контура на резонансную частоту может осуществляться двумя способами. Во-первых, посредством варьирования частоты проводимого к контуру переменного входного напряжения Uвх. Во-вторых, за счет изменения частоты собственных колебаний Wо, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя величину обратного напряжения Uобр., можно регулировать емкость варикапа, а следовательно и менять резонансную частоту контура. Конденсатор Cp является разделительным. Он необходим для предотвращения шунтирования варикапа индуктивностью.

Стабилитроны

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения. Участок соответствующий электрическому пробою Uпроб. на котором напряжение слабо зависит от тока, является рабочим. При использовании стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения, его включают параллельно нагрузке. Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки Rн постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Rогр. должно иметь определенное значение. Для исключения температурного дрейфа напряжение используют последовательно соединенный диод. Подобные диоды называются термокомпенсированными стабилитронами.

Импульсные диоды

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в качестве коммутирующих элементов. Существуют различные типы импульсных диодов: сплавные, точечные меза-диоды, диоды Шоттки. Импульсные диоды широко используют в качестве коммутирующих элементов, т.е. устройств, имеющих два устойчивых состояния: «открыто», когда сопротивления прибора мало и «закрыто», когда велико. При использовании диода в качестве ключа, могут комбинироваться различные диодные и диодно-транзисторные схемы, предназначенные для работы в цифровой аппаратуре.

В заключении

Прошу прощения за рисунки, элементы схем не по госту(их соотношение), но думаю для наглядного примера сойдет. PS: стоит ли рассказать о транзисторах?

habr.com

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

Полупроводниковый диод — двухэлектродный электронный прибор на базе полупроводникового (ПП) кристалла.

Понятие полупроводниковый диод объединяет приборы с разными принципами действия, которые имеют многофункциональное назначение. Система классификации полупроводниковых диодов соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов.

В наиболее широком классе электро-преобразовательных полупроводниковых диодов различают: импульсные диоды, выпрямительные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (видеодетекторы, параметрические, смесительные, генераторные и усилительные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных полупроводниковых диодов выделяют ПП квантовые генераторы, светоизлучающие диоды и фотодиоды.

Наиболее многочисленны полупроводниковые диоды, действие которых базируется на применении свойств электронно-дырочного перехода, другими словами р-и-перехода. Если к р-п-переходу диода приложить напряжение в прямом направлении, т. е. подать на его p-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, который соответствует переходу, снижается и начинается интенсивный ввод дырок из /7-области в «-область и электронов из «-области в ^-область. Тем самым по диоду начинает течь большой прямой ток. Если приложить напряжение в обратном направлении, то потенциальный барьер повышается и через р-л-переход протекает очень малый ток вторичных носителей заряда (обратный ток).

На резкой несимметричности вольт-амперной характеристики (ВАХ) базируется работа выпрямительных диодов. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей производятся выпрямительные полупроводниковые диоды, имеющие допустимый выпрямленный ток до 300 А и максимально допустимое обратное напряжение в пределах от 20—30 В до 1—2 кВ. Полупроводниковые диоды аналогичного использования для слабо-точных цепей имеют выпрямленный ток <0,1 А и называются универсальными. При напряжениях, превышающих максимально допустимое обратное напряжение, ток резко возрастает, и появляется необратимый тепловой пробой /7-и-перехода, который приводит к выходу полупроводникового диода из строя. С целью повышения максимально допустимого обратного напряжения до нескольких десятков кВ применяют выпрямительные столбы, в которых несколько идентичных выпрямительных полупроводниковых диодов соединены последовательно и расположены в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов ограничивает частотный предел их использования (как правило, областью частот 50—2000 Гц).

Применение специальных технологических приемов (легирование кремния и германия золотом) позволило создать быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды, применяемые, наряду с диодными матрицами, как правило, в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

При невысоких пробивных напряжениях, как правило, развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р-и-перехода, т. е. резкое нарастание тока при почти постоянном напряжении, называется напряжением стабилизации. На использовании подобного пробоя базируется работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с напряжением стабилизации от 3—5 до 100—150 В используют в основном в стабилизаторах и ограничителях импульсного и постоянного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается высокая температурная стабильность, — в качестве источников опорного и эталонного напряжений.В предпробойной области обратный ток диода подвержен значительным флуктуациям; это свойство р-«-перехо-да применяют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р-»-и-переходе обусловливает сдвиг фаз между напряжением и током в диоде, вызывая (при определенной схеме включения) генерирование СВЧ-колебаний. Это свойство успешно применяют в лавинно-пролетных полупроводниковых диодах, которые позволяют осуществлять генераторы с частотами до 150 ГГц. Стабилизаторы можно увидеть здесь.

Для преобразования и детектирования электрических сигналов в области СВЧ применяют смесительные полупроводниковые диоды и видеодетекторы, в большинстве которых р-«-переход расположен под точечным контактом. Это позволяет достигнуть малого значения емкости, а специфическое конструктивное оформление задает малые значения паразитных индуктивности и емкости, а также возможность монтажа диода в волноводных системах.

При подаче на р-«-переход обратного смещения, которое не превышает максимально допустимого обратного напряжения, он ведет себя как высокодобротный конденсатор, у которого емкость зависит от величины действующего на нее напряжения. Это свойство применяют в варикапах, используемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в умножительных диодах и варакторах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ, в параметрических полупроводниковых диодах, используемых для усиления СВЧ-колебаний. В этих полупроводниковых диодах стремятся уменьшить величину сопротивления, являющегося основным источником активных потерь энергии, и усилить зависимость емкости от максимально-допу-стимого обратного напряжения.

У перехода на базе вырожденного полупроводника область, которая обеднена носителями заряда, является очень тонкой (~ 10—2 мкм), и для нее становится значительным туннельный механизм перехода дырок и электронов через потенциальный барьер. На этом свойстве базируется работа туннельного диода, используемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах, в генераторах и усилителях колебаний СВЧ, а также обращенного диода, используемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ-колебаний.

К полупроводниковым диодам относят также ПП приборы с двумя выводами, содержащие неуправляемую четырехслойную /7-«-р-«-структуру и называют динисторами, а также Ганна диоды. В полупроводниковых диодах применяют и другие разновидности ПП структур: контакт металл — полупроводник и структуру, свойства которых во многом схожи с характеристиками перехода.

Свойство /7-г-и-структуры менять свои электрические характеристики под воздействием излучения применяют в детекторах ядерных излучений и фотодиодах, устроенных таким образом, что ядерные частицы или фотоны могут поглощаться в активной области кристалла, которая непосредственно примыкает к р-«-переходу, и менять величину обратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации дырок и электронов применяется в светоизлучающих диодах. К полупроводниковым диодам можно отнести также и полупроводниковые лазеры.

Большинство полупроводниковых диодов изготавливают, применяя планарноэпитаксиальную технологию, которая позволяет сразу получать до нескольких тысяч полупроводниковых диодов. В качестве полупроводниковых материалов для них используют главным образом кремний, а также германий и т. д., в качестве контактных материалов — золото, алюминий, медь. Для защиты кристалла полупроводникового диода его, как правило, помещают в металлокерамический, металлостеклянный, пластмассовый или стеклянный корпус.

Для обозначения полупроводниковых диодов используют шестизначный шифр, первая буква которого характеризует применяемый полупроводник, вторая определяет класс диода, цифры означают порядковый номер типа, а последняя буква — его группу.

От своих электровакуумных аналогов полупроводниковые диоды отличаются значительно большими долговечностью и надежностью, лучшими техническими характеристиками, меньшими габаритами, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей использования. С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными полупроводниковыми диодами диодных структур в функциональных устройствах и ПП монолитных интегральных схемах, где полупроводниковый диод неотделим от всей конструкции устройства.

enciklopediya-tehniki.ru