Характеристика диодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Типы диодов и их применение

полупроводниковый диод высокочастотный модуляторный

В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, обратный пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т. д. В зависимости от вида используемого свойства, т. е. от назначения, различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные (силовые) диоды, высокочастотные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы (варакторы), туннельные диоды. Каждый тип диода содержит ряд типономиналов; регламентированный соответствующим ГОСТом.

При выборе диода следует кроме определения необходимого типономинала проверить соответствие ожидаемых при эксплуатации и допустимых для данного прибора по техническим условиям уровней механических и климатических воздействий. Для окончательного выбора диода используют его квалиметрическую модель. Рассмотрим основные функциональные типы электропреобразовательных полупроводниковых диодов, а также принцип их действия, характеристики, параметры, особенности применения.

2.Выпрямительные диоды

Резкую асимметрию вольт-амперной характеристики р-n-перехода широко используют для выпрямления переменного тока низкой частоты. Приборы, предназначенные для этой цели, называются выпрямительными диодами, они являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов.

Простейшая схема выпрямителя на диоде показана на рис. 2.11. Переменное напряжение сети, измененное с помощью трансформатора до необходимой величины (Uт, подается через диод Д на конденсатор большой емкости Сф, выполняющий функции фильтра -- накопителя заряда. Периодически напряжение трансформатора становится прямым, тогда через диод проходят импульсы тока, подзаряжающие конденсатор. Остальную часть периода конденсатор разряжается через нагрузку Rн, включенную параллельно ему.

Так как емкость конденсатора Сф выбирают достаточно большой,то напряжение Uс на нем изменяется мало, напряжение нагрузки Uвыпр = Uс оказывается практически постоянным и через нее проходит почти постоянный ток:

Iвыпр = Uвыпр/Rн.

На рис. 2.12 показан график изменения во времени напряжения диода.

Напряжение диода представляет собой алгебраическую сумму постоянного напряжения нагрузки Uвыпр и переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора uт = Uт sin wt. Максимальное прямое напряжение диода

U_пр = Uт - Uвыпр,

а максимальное обратное напряжение диода

U_обр = Uт + Uвыпр.

На рис. 2.12 с помощью вольт-амперной характеристики диода построен график изменения во времени тока диода. Можно видеть, что импульсы тока проходят в течение времени, когда напряжение диода прямое. Длительность этих импульсов меньше полупериода выпрямляемого напряжения и зависит от величины выпрямленного напряжения. Очевидно, среднее значение тока диода

Io = 1/T

должно быть равно току нагрузки Iвыпр.

Ввиду высокой прямой проводимости диода выпрямленное напряжение приближается к Uт.

Максимальное обратное напряжение возникает в режиме холостого хода (R ? ?), когда Uвыпр = UТ:

Uобр = UТ + UТ = 2 UТ .

Из рассмотрения вытекает, что возможности полупроводникового диода как выпрямителя характеризуются величинами максимально допустимого анодного тока, определяющего максимальный выпрямленный ток (ток нагрузки), и максимально допустимого обратного напряжения, определяющего максимальное выпрямленное напряжение.

В выпрямительных диодах электронно-дырочный переход имеет большую площадь, обеспечивающую получение выпрямленных токов требуемой величины. В настоящее время наиболее распространены выпрямительные диоды сплавного типа. Для изготовления выпрямительных диодов широко используют кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях в ряде случаев выгоднее германиевые диоды, так как они имеют меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые (см. рис. 2.5).

Мощные диоды с целью отвода тепла монтируют на специальных радиаторах, изготовленных из металла, обладающего хорошей теплопроводностью; для увеличения рассеиваемой мощности используют воздушное и жидкостное охлаждение.

Допустимый выпрямленный ток и допустимое обратное напряжение диода зависят от температуры окружающей среды. При повышенной температуре возрастает опасность теплового пробоя в соответствии с выражением (2.25), поэтому подводимое напряжение и выпрямленный ток должны быть снижены по сравнению с номинальными. Отечественной промышленностью выпускается широкая номенклатура германиевых и кремниевых выпрямительных диодов на токи до 500 А и обратные напряжения до 1000 В.

При необходимости получения больших напряжений полупроводниковые при-боры соединяют последовательно, цепочка может состоять из десятков приборов.

В нашей стране и за рубежом на основе изложенных методов созданы мощные высоковольтные выпрямительные блоки, обеспечивающие получение мощности в нагрузке до 100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до 1000 А.

Отечественной промышленностью выпускаются и маломощные выпрямительные элементы, представляющие собой цепочку последовательно соединенных полупроводниковых выпрямительных диодов, размещенных в едином корпусе; их называют выпрямительными столбами. Выпускаются также выпрямительные блоки, представляющие собой конструктивно завершенное устройство, состоящее из выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме, например мостовой.

3.Высокочастотные диоды

Под названием «высокочастотные диоды» объединим целую группу полупроводниковых диодов, предназначенных для обработки высокочастотных сигналов, а именно:

- детекторные диоды, предназначенные для выделения низкочастотного сигнала из модулированного колебания;

- смесительные диоды, используемые для изменения несущей частоты модулированного колебания;

- модуляторные диоды, предназначенные для модуляции высокочастотного колебания, и др.

Для всех этих диодов общим является работа на высоких частотах.

Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивлениями электронно-дырочного перехода (Rп), а также р- и n-областей полупроводника (гб), то при работе диода на высоких частотах большую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного сопротивления гб свойства диода на высоких частотах оказываются совершенно иными, чем на низких частотах, выпрямительный эффект с ростом частоты почти полностью исчезает. Для расширения частотного диапазона диода.

Рис. 2.13

Необходимо уменьшить его емкость Сд и сопротивление базы гб (см. рис. 2.11).

Для уменьшения емкости р-n -перехода в высокочастотных диодах часто применяют точечную конструкцию (рис. 2.13, а). Монокристалл германия или кремния n-типа является базой диода. База припаяна к выводу свинцово-оловянным припоем, обеспечивающим омический контакт. С другой стороны к базе прижата вольфрамовая игла, имеющая диаметр острия не более 20--30 мкм. Благодаря малой площади контакта обеспечивается получение малой емкости перехода (порядка десятых долей пикофарада). Электродная система с целью защиты от воздействия окружающей среды заключена в герметичный стеклянный корпус; выводы электродов сделаны из ковара, имеющего такой же температурный коэффициент расширения, что и стекло.

Контакт вольфрамовой иглы с поверхностью полупроводника обладает выпрямительными свойствами, однако для создания стабильного выпрямляющего контакта, имеющего более высокое пробивное напряжение, диод обычно подвергают электроформовке путем кратковременного (1/4 с) пропускания мощного импульса тока. Вследствие сильного локального разогрева приконтактной области, приводящего к частичному расплавлению кристалла и конца иглы, возникает диффузия примесей в кристалл и под острием иглы после резкого охлаждения образуется небольшая по объему р-область, возникает р-n-переход (рис. 2.13, б). Для повышения прямой проводимости диода на конец иглы перед формовкой иногда наносят акцепторную примесь (индий или алюминий), при этом концентрация акцепторов в р-области достигает 10¹⁷ см-³, а прямая проводимость -- 100мА/В. Из упомянутых материалов лучшие результаты, сточки зрения высокочастотных свойств, дает алюминий, позволяющий получить меньший радиус р-n-перехода.

Предельная частота точечных диодов благодаря малой емкости перехода составляет 300--600 МГц. Изготовляют также диоды на частоты порядка десятков гигагерц. У них емкость перехода еще меньше, что достигается специальной заточкой иглы с использованием прижимного контакта без электроформовки. Предусмотрено максимальное уменьшение индуктивности выводов. Однако допустимое обратное напряжение у таких диодов не превышает 3--5 В; низкой получается допустимая мощность рассеяния.

На высоких частотах применяют также так называемые микросплавные диоды, имеющие малую площадь перехода. Диоды с микрославными переходами выгодно отличаются от точечных лучшей стабильностью параметров, но емкость перехода у них больше и предельные частоты ниже; чем у точечных диодов. К этому типу приборов относится диод Д223, имеющий Iвыпр=50мА, Uобр 150 В, fпред = 20МГц.

4.Импульсные диоды

Полупроводниковые диоды широко используют в качестве ключа, т. е. устройства, имеющего два состояния: «открыто», когда сопротивление прибора очень мало, и «закрыто», когда его сопротивление очень велико. Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности небольшим, так как этим определяется быстродействие аппаратуры.

Рис. 2.14

Предназначенные для этой цели диоды называют импульсными или ключевыми.

Заряд переключения. Для работы в режиме переключения существенное значение имеет величина заряда, который должен быть выведен из базы для перевода диода в закрытое состояние. Этот заряд называют зарядом переключения. Очевидно, заряд переключения Qп всегда меньше накопленного заряда Qн, так как за время, пока он выводится из диода, часть носителей успевает рекомбинировать. Чем больше отношение обратного тока I2 к прямому току I1 тем больше относительное значение заряда переключения Qп/Qн .

Для исследования процесса переключения диода используем схему, приведенную на рис. 2.14. На диод Д поступают импульсы прямого тока I1 ? /R11, после окончания прямого импульса через резистор R2 подается лишь обратное напряжение источника <^2, стремящееся запереть диод. Ток i(t) и напряжение u(t) диода наблюдают с помощью двухлучевого осциллографа, подключенного к диоду и резистору r небольшого сопротивления, служащему для линейного преобразования измеряемого тока в напряжение.

На рис. 2.16, а показана осциллограмма тока диода в режиме переключения.

На протяжении времени t1 предшествующего переключению, через диод проходит.

Импульс прямого тока I1 ~ 1/R1. При переключении диода на обратное напряжение <§г (t = 0) его сопротивление rобр = u/i вначале оказывается небольшим вследствие того, что база насыщена носителями заряда, накопленными во время прохождения прямого тока. Поэтому обратный ток I2, проходящий через диод, имеет вначале большую величину:

С течением времени накопленный заряд частично выводится из базы током I2, а частично исчезает вследствие рекомбинации, поэтому переход восстанавливает высокое обратное сопротивление, обратный ток диода падает до установившегося значения Iобр.

Изменение концентрации накопленного заряда в базе плоскостного диода в режиме переключения показано на рис. 2.17. К моменту окончания прямого импульса в базе существует установившееся распределение концентрации (кривая t = 0). При переключении диода, когда возникает обратный ток I2 = /R2, кривая t' распределения концентрации у перехода получает обратный наклон. Создается диффузионный ток дырок из базы в переход. Одновременно из базы во внешнюю цепь в таком же количестве выводятся электроны, чем сохраняется нейтральность базы. Неравновесная концентрация неосновных носителей заряда уменьшается как за счет рассмотренного процесса, так и вследствие рекомбинации (кривая I"). Градиент концентрации носителей заряда у перехода и ток остаются при этом постоянными до тех пор, пока концентрация дырок у перехода не спадет до нуля (t = t2). Далее градиент концентрации начинает уменьшаться и обратный ток достигает величины Iобр.

Осциллограмма напряжения на диоде в процессе переключения показана на рис. 2.16, б. В первый момент после включения прямого тока на диоде наблюдается всплеск напряжения. Это объясняется тем, что из-за ограниченной скорости диффузии носителей заряда база диода сразу после включения еще не насыщена неравновесными носителями и ее сопротивление повышено. По мере накопления носителей заряда сопротивление базы снижается до установившегося значения, так же как и напряжение.

После переключения диода напряжение на нем в течение первой фазы рассасывания t2 остается положительным за счет неравновесного заряда, медленно убывая до нуля. Все напряжение источника E3 Надает в это время на резисторе R2 (см. рис. 2.15). Затем напряжение диода, изменив полярность, нарастает постепенно до значения напряжения источника E2.

Длительность переключения диода с прямого направления на обратное (t2 + t3) зависит от времени жизни носителей заряда в базе фр, а также от соотношения между прямым I1 и обратным I2 токами. Уменьшая отношение I1/I2, можно сократить время переключения диода на порядок. Для диодов с тонкой базой время переключения зависит от времени диффузии носителей заряда сквозь базу фдф и при том же времени жизни оказывается в десятки раз меньше, чем у обычных диодов.

Параметры импульсных диодов. Импульсные диоды характеризуются величиной прямого и обратного токов, для которых в технических условиях устанавливаются максимально допустимые значения. Величина прямого тока диода в импульсном режиме значительно выше, чем в непрерывном.

Быстродействие диода как ключа определяют два параметра - время установления прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления (ГОСТ 20004--74).

Время установления прямого напряжения tуст - это интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до момента достижения заданного значения прямого напряжения (рис. 2.18).

Процесс установления прямого напряжения согласно тому же ГОСТу характеризуют также пиковым значением прямого напряжения диода, возникающего на нем при включении в прямом направлении и заданной величине импульса прямого тока (рис. 2.18). Его называют импульсным прямым напряжением диода и обозначают Uпр и.

Время восстановления обратного сопротивления tвос - это интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение до момента достижения обратным током заданного низкого значения Iвос (рис. 2.19).

По времени восстановления импульсные диоды подразделяют на три группы:

- высокого быстродействия (tвос<10 нc),

- среднего быстродействия (10 нс < tвос < 100 нс),

- низкого быстродействия (tвос > 100 нс).

Для диодов высокого быстродействия Iвос = 0.1 I1, а для диодов среднего быстродействия Iвос = 0,01 I1.

Типы импульсных диодов

Сплавные диоды имеют значительное время восстановления tвос>0,5 мкс). Точечные диоды, обладая малыми емкостью перехода (0,5 пФ) и зарядом переключения (100 - 200 пКл), имеют время восстановления менее 0,1 мкс однако у них небольшие величины прямого тока (не более 20 - 50 мА) и допустимого обратного напряжения (не более 20 В).

Значительно большей скоростью переключения, большей величиной прямого тока, стабильностью параметров и малым их разбросом отличаются меза-диоды. В этих диодах, изго Рис 2.20 товленных методом диффузии, для уменьшения площади перехода производят травление кристалла, в результате получается показанная на рис. 2.20 меза-структура (от исп. mesa - стол), имеющая диаметр шейки 70--200 мкм. Меза-диоды имеют время восстановления tвос= 10-50 нс при прямом токе I1 до 500 мА и обратном напряжении .до 100 В.

Особенностью характеристик выключения диодов, изготовляемых методом диффузии, является малая длительность фазы спада обратного тока 13 (см. рис. 2.16). Отношение (3/2 может быть меньше 3%), а заряд переключения в некоторых типах диодов приближается по величине к накопленному заряду.

Указанный эффект обусловлен тем, что при диффузионном введении примесей концентрация их получается неравномерной: она убывает по мере удаления вглубь от поверхности. Вследствие этого в базе возникает электрическое поле, направленное к переходу и тормозящее инжектируемые дырки. При переключении диода на обратное направление поле «прижимает» дырки к переходу и этим растягивает первую фазу процесса рассасывания t2, но к моменту ее окончания в базе практически не остается неравновесных носителей заряда и обратное сопротивление диода почти мгновенно нарастает до стационарного значения.

Диоды с резким восстановлением обратного сопротивления имеют ряд специфических применений: генерирование импульсов с очень крутым фронтом, умножение частоты в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн, усиление импульсов и т. д.