Полупроводниковые диоды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полупроводниковые диоды



Введение

Полупроводниковый диод -- полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.

Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных - силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.

Рис. 1.10 Условные графические обозначения: а - выпрямительные и универсальные;б - стабилитроны; в - двухсторонний стабилитрон; г - туннельный диод;д - обращенные диоды; е - варикап; ж - фотодиодов; з - светодиод

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые - до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.



1. Емкость полупроводникового диода

Говорилось о том, что п -- р-переход при обратном напряжении н_обр аналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда + бобр и -Q_o6p, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси.

Поэтому п -- р-переход обладает емкостью, подобной конденсатору с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. При постоянном напряжении она определяется отношением

=/

а при переменном напряжении

=/

Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади п -- р-перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Несмотря на то что у диодов небольшой мощности площадь перехода мала, емкость С_б весьма заметна за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у германия 8 = 16).

В зависимости от площади перехода значение С_б может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она нелинейна, т. е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается и емкость С_б уменьшается. Характер этой зависимости показывает график на рис. 3.3. Как видно, под влиянием напряжения «_обр емкость С_б изменяется в несколько раз.

Рис. 1.1. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Однако барьерная емкость бывает и полезной. Специальные диоды (варикапы и варакторы) используют как конденсаторы переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на свойствах нелинейной емкости. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, в которых емкость изменяют механическим путем.

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Однако барьерная емкость бывает и полезной. Специальные диоды (варикапы и варакторы) используют как конденсаторы переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на свойствах нелинейной емкости. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, в которых емкость изменяют механическим путем, в варикапах это изменение достигается регулировкой обратного напряжения. Такую настройку колебательных контуров называют электронной настройкой.

При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью С_диф, которая также нелинейна и возрастает при увеличении и_пр. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в п- и p-областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в п- и p-областях. Так, например, если в некотором диоде p-область является эмиттером, а п-область -- базой, то при подаче прямого напряжения из р-области в n-область через переход устремляется большое число дырок¹ и, следовательно, в n-области появляется положительный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения из провода внешней цепи в n-область входят электроны и в этой области возникает отрицательный заряд. Дырки и электроны в п-области не могут мгновенно рекомбинировать. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствует определенное значение двух равных разноименных зарядов +<2_ДИф и -- <2_ДИф, накопленных в n-области за счет диффузии носителей через переход. Емкость С_ДИф, как обычно, представляет собой отношение заряда к разности потенциалов: при постоянном напряжении

=/

при переменном напряжении

=/

С увеличением м_пр прямой ток растет быстрее, чем напряжение, так как вольт -амперная характеристика для прямого тока нелинейна; поэтому <2_ДИф растет быстрее, чем и_пр, и С_ДИф увеличивается.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его эквивалентную схему для переменного тока (рис. 1.2, а). Сопротивление R₀ в этой схеме представляет собой суммарное.

Рис. 1.2. Полная и упрощенные эквивалентные схемы полупроводникового диода

Сравнительно небольшое сопротивление п- и p-областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление Я_ИЛ при прямом напряжении равно R_np, т. е. невелико, а при обратном напряжении Я_нл = Я_обр, т. е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в, различных частных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учитывая при обратном напряжении -- только сопротивление R_0бр, так как R₀ с R_o6p (рис. 1.2, в). На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис. 1.2, г (если частота не очень высокая, то С_ДНф практически не влияет), а при обратном остаются Р_обр и С_б (рис. 1.2, Э).

Следует иметь в виду, что существует еще емкость С_в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.

Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀ и R_np (рис. 1.2,6),

2.2 Температурные свойства

На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей заряда, т. е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. Поэтому свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. Это наглядно показывают вольт- амперные характеристики, снятые при различной температуре. На рис. 2.1 они представлены для германиевого диода. Как видно, при повышении температуры прямой и обратный токи растут. Очень резко увеличивается обратный ток, что объясняется усилением генерации пар носителей. У германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°С.

Следовательно, если температура поднялась с 20 до 70 °С, то ток i_o6p увеличивается в 2⁵, т. е. в 32 раза. Кроме того, с повышением температуры у германиевых диодов снижается напряжение электрического пробоя.

У кремниевых диодов при нагреве на каждые 10°С обратный ток увеличивается примерно в 2,5 раза, а напряжение электрического пробоя при повышений.



Рис. 2.1.Влияние температуры на вольтамперную характеристику диода температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается

Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

С повышением температуры несколько возрастает барьерная емкость диода. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ), показывающий изменение емкости при изменении температуры на один градус, равен 10“⁴ --10“³ К^-1.

2.3 Рабочий режим

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рис. 3.1, а). В условном графическом обозначении (схематическом изображении) полупроводникового диода треугольник является анодом, черточка -- катодом. Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода. Следовательно, треугольник нужно рассматривать как острие стрелки, показывающей условное направление прямого тока. Именно в этом направлении при прямом токе движутся дырки, электроны же движутся в противоположном направлении.

Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то

Рис. 3.1 Схема включения диода с нагрузкой и построение линии нагрузки подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току R₀ и сопротивления нагрузочного резистора R_H.

Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R₀ У него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, R_l{ и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рассматривать как график некоторого уравнения, связывающего величины i и и. А для сопротивления R_H подобным уравнением является закон Ома:

i=/=(E-u)/ (3.1)

Итак, имеются два уравнения с двумя неизвестными i и и, причем одно из уравнений дано графически. Для решения такой системы уравнений надо построить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления R_H -- это уравнение первой степени относительно i и и. Его графиком является прямая линия, называемая линией нагрузки. Проще всего она строится по двум точкам на осях координат. При i = 0 из уравнения (3.9) получаем: Е -- -- и = 0 или и -- Е, что соответствует точке А на pitc. 3.6, б. А если и = 0, то i = E/R_H. Откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). Через точки А и Б проводим прямую, которая является лигрузки. Координаты точки Т дают решение поставленной задачи. Следует отметить, что все остальные точки прямой АБ не соответствуют каким- либо рабочим режимам диода. Можно строить линию нагрузки по углу ее наклона а, поскольку R_H = k ctg а. Но это менее удобно, так как надо определять коэффициент к с учетом масштабов и находить угол а по его котангенсу.

При построении линии нагрузки для сравнительно малых R„ точка Б окажется за пределами чертежа. В этом случае следует отложить от точки А влево произвольное напряжение U (рис. 3.1, в) и от полученной точки В отложить ток, равный U/R_H (отрезок В Г). Прямая, проведенная через точки А и Г, будет линией нагрузки.

Иногда заданы и и i (точка Т) и сопротивление нагрузки R_H, а надо определить Е, или, наоборот, при заданном Е требуется определить сопротивление нагрузки R_u. Графические построения для этих случаев предлагается сделать читателю самому. Во всех таких построениях следует руководствоваться уравнением (3.1).

Цепь с последовательно соединенными диодом' и линейным нагрузочным резистором R„ является нелинейной. Характеристику такой цепи, называемую рабочей характеристикой диода, т. е. график зависимости i = / (Е), можно получить суммированием напряжений для характеристик диода и нагрузочного резистора R_H (рис. 3.2). Характеристика резистора R_H выражает закон Ома i = = u_r/R_h и является прямой линией, проходящей через начало координат.



Рис. 3.2. Построение рабочей характеристики для цепи, состоящей из последовательно-соединенных диода и резистора нагрузки этой прямой на график наносится точка, соответствующая произвольному напряжению u_R и току u_r/R_h.

Через эту точку и начало координат проводится прямая. В предыдущих построениях линия нагрузки не проходила через начало координат, потому что она выражала зависимость тока не от напряжения u_R, а от напряжения на диоде и.

Рабочую характеристику цепи i = = / (Ј) строим, складывая для нескольких значений тока i напряжения и и u_R, так как Е = и + u_R. Например, при токе 3 мА имеем: и = 0,4 В и u_R -- 0,5 В. Суммируя эти напряжения, получаем Е = 0,9 В и соответствующую точку результирующей характеристики. Аналогично находим другие точки, и через них проводим плавную кривую. Свойства последовательной цепи зависят главным образом от свойств участка цепи, имеющего большее сопротивление. Поэтому чем больше сопротивление R_H, тем меньше нелинейность результирующей характеристики. Следует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не делать, если R_H »R₀. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно по формуле I « E/R_ti.

Рассмотренные методы расчета постоянного напряжения Е можно применить для амплитудных или мгновенных значений, если анодный источник дает переменное напряжение.



2.4 Применение полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока

Выпрямление переменного тока -- один из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока. Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока. Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 4.1, а. В ней последовательно соединены генератор переменной ЭДС (е), диод Д и нагрузочный резистор R_H, который можно включат^ также и в другой провод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Правильнее бы называть ее однофазной однотактной, так как генератор переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период).

a).

b)

Рис. 4.1. Схемы выпрямителя с полупроводниковым диодом

Вило, представляют собой комбинацию нескольких однофазных юднотактных схем. В выпрямителях для питания РЭА генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 4.1, б). Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора R_H, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрямлении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемников генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой -- резистор с большим сопротивлением.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусоидальную ЭДС е = Е_т sin соt и его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе R_H падение напряжения u_R. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и u_R = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе R_H выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода -- минус.

Графики на рис. 4.2 наглядно иллюстрируют процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Ё_т (рис. 4.2, а). Как правило, сопротивление нагрузки во много раз больше сопротивления диода, и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной).



Рис. 4.2 Принцип работы простейшего выпрямителя стыка близка к линейной)

В этом случае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полу синусоиде с максимальным значением /тах (рис. 4.2, б). Этот же график тока в другом масштабе изображает выпрямленное напряжение uR, так как uR = iRH. Достаточно умножить значения тока на RH, чтобы получить кривую напряжения.

График на рис. 4.2, в изображает напряжение на диоде. Иногда ошибочно его считают синусоидальным или отождествляют с напряжением источника переменной ЭДС. На самом же деле это напряжение имеет несинусоидальную форму. У него амплитуды положительных и отрицательных полуволн резко неодинаковы. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе Ru, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае

=-=-<< (4.1)



Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1 -- 2 В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е = 200 В и Ет = |/2 Е = 280 В. Если t/npmax = = 2 В, то URmax = 278 В. Если бы напряжение источника (например, 200 В) полностью было приложено к диоду, это означало бы, что на резисторе R_}; нет падения напряжения. Но это возможно только при R„ = 0. Тогда ток был бы недопустимо большим и диод вышел бы из строя.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе R„ равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Рассмотрим подробнее выпрямленное напряжение (все, что будет показано для него, относится и к выпрямленному току). Из графика на рис. 3.9, б видно, что это напряжение сильно пульсирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая, или среднее значение, U_cp. Для полусинусоидального импульса с максимальным значением напряжения U_max среднее значение за полупериод

=2/р=0.636 (4.2)

Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь период среднее значение вдвое меньше:

=/р=0.318 (4.3)

Приближенно U_cp считают равным 30 % максимального значения. Это приближение допустимо, так как действительная форма импульсов всегда несколько отличается от полусинусоиды. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать

(4.4)

Вычитая из выпрямленного пульсирующего напряжения его среднее значение, получим переменную составляющую Uкоторая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая постоянную составляющую (рис. 4.3, а). Полуволны переменной составляющей заштрихованы. Положительная полуволна представляет собой верхние две

Рис. 4.3 Постоянная и переменная составляющие выпрямленного напряжения

Трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Длительность этих полуволн неодинакова, но площади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет.

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе, т. е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры. На рис. 4.3, б изображена переменная составляющая. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).

В сглаживающем фильтре применяются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индуктивностью, препятствующие прохождению переменной составляющей в нагрузку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов и больше сопротивление дросселей, а следовательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.

Если фильтр хорошо ослабляет первую гармонику пульсаций, то более высокие гармоники подавляются еще лучше. А так как они и по амплитуде меньше, чем первая гармоника, то практически нужно заботиться о подавлении лишь первой главным врагом.

2.5 Последовательное и параллельное соединение

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять диоды последовательно, с тем чтобы обратное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров диодов одного и того же типа¹ на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов. Поясним это примером.

Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения составляет 1000 В и применены диоды ^с Н_обр max = 400 В. Очевидно, что необходимо соединить последовательно не менее трех диодов. Предположим, что обратные сопротивления диодов R_o6p, = = Доб_Р2 = 1 МОм и Я_обр3 = 3 МОм. Обратное напряжение распределяется пропорционально обратным сопротивлениям, и поэтому получится Ј/_обр, = = и_о6р2 = 200 В и U_обрз = 600 В. На третьем диоде (кстати говоря, он является лучшим, так как у него наибольшее Я_обр) обратное напряжение выше предельного, и он может быть пробит. Если это произойдет, то напряжение 1000 В распределится между оставшимися диодами и на каждом из них будет 500 В. Ясно, что любой из этих диодов может пробиться, после чего все обратное напряжение 1000 В будет приложено к одному диоду, который его не выдержит. Такой последовательный пробой диодов иногда происходит за доли секунды.

Для того чтобы обратное напряжения

Ai Аг Аз

Рис. .5.1 Последовательное соединение диодов

Распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами (рис. 5.1). Сопротивления Rm резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов. Но вместе с тем RIU не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление. Для рассмотренного примера можно взять резисторы с сопротивлением 100 кОм. Тогда при обратном напряжении сопротивление каждого участка цепи, состоящего из диода и шунтирующего резистора, будет несколько меньше 100 кОм и общее обратное напряжение разделится между этими участками примерно на три равные части. На каждом участке это напряжение окажется меньше 400 В и диоды будут работать надежно. Обычно шунтирующие резисторы имеют сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен килоом.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки процентов.

Для примера на рис. 5.2, а показаны характеристики прямого тока двух диодов одного и того же типа, у которых /|ф П1ах = 0,2 А. Пусть от этих диодов требуется получить прямой ток 0,4 А. Есди их соединить параллельно, то при токе 0,2 А на первом диоде напряжение равно 0,4 В (кривая 1). А на втором

Рис 5.2. Параллельное соединение диодов диоде при таком же напряжении ток будет лишь 0,05 А (кривая 2)

Таким образом, общий ток составит 0,25 А, а не 0,4 А. Увеличивать напряжение на диодах нельзя, так как в первом диоде ток станет больше предельного.

Из характеристик видно, что для получения во втором диоде тока 0,2 А надо иметь на нем напряжение 0,5 В, т. е. на 0,1 В больше, чем на первом диоде. Поэтому, чтобы установить правильный режим работы диодов, надо подвести к ним напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравнительный резистор (рис. 5.2, б) -- с целью поглощения излишнего для первого диода напряжения 0,1 В. Ясно, что сопротивление этого резистора R_y = ОД : 0,2 = 0,5 Ом. При наличии такого резистора оба диода будут нагружены одинаково током в 0,2 А.

Практически редко включают параллельно больше трех диодов. Уравнительные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинаковых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением R_y. Но в этом случае происходит дополнительное падение напряжения на R_y, превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно включать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинаковыми характеристиками. Однако рекомендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.

2.6 Импульсный режим

Во многих современных радиоэлектронных устройствах полупроводниковые диоды часто работают в импульсном режиме при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды. Рассмотрим особенности этого режима на примере, когда диод соединен последовательно с нагрузкой, сопротивление которой R_H во много раз больше прямого сопротивления диода (Ян » R_np). Пусть такая цепь находится под действием импульсного напряжения, которое состоит из короткого импульса прямого напряжения (положительного импульса), отпирающего диод, и более длительного импульса обратного напряжения (отрицательного импульса), надежно запирающего диод до прихода следующего положительного импульса. Импульсы напряжения имеют прямоугольную форму (рис. 6.1 а). Г рафик тока, а следовательно, и пропорционального ему напряжения на R„ показан для этого случая на рис. 6.1,6. При прямом напряжении ток в цепи.



Рис. 6.1. Импульсный режим работы диода определяется сопротивлением R_H

Хотя прямое сопротивление диода нелинейно, но оно почти не влияет на ток, так как во много раз меньше R_H. Поэтому импульсы прямого тока почти не искажены. Некоторые сравнительно небольшие искажения могут наблюдаться только при очень коротких (длительностью в доли микросекунды) импульсах.

При перемене полярности напряжения, т. е. при подаче обратного напряжения, диод запирается не сразу, а в течение некоторого времени проходит импульс обратного тока (рис. 6.1,6), значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме /обр.уст- Причины возникновения импульса обратного тока такие же, как и при работе диода на высоких частотах . Главная причина -- это разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями вп-и p-областях. Поскольку концентрации примесей в этих областях обычно, весьма

различны, то практически импульс обратного тока создается рассасыванием заряда, накопленного в базе, т. е. в области с относительно малой проводимостью. Например, если «-область является эмиттером, а р-область -- базой, то при прямом токе можно пренебречь потоком дырок из p-области в «-область и рассматривать только поток электронов из «- области в р-область.

Этот диффузионный поток через переход вызывает накопление электронов в p-области, так как они не могут сразу рекомбинировать с дырками или дойти до вывода от p-области. При перемене полярности напряжения накопленный в базе заряд начинает двигаться в обратном направлении и возникает импульс обратного тока. Чем больше был прямой ток, тем больше электронов накапливалось в базе и тем Сильнее импульс обратного тока. Двигаясь от базы обратно в эмиттер, электроны частично рекомбинируют с дырками, а частично проходят через «-область до металлического вывода от этой области.

Исчезновение (рассасывание) заряда, накопленного в базе, длится некоторое время. К концу рассасывания обратный ток достигает своего установившегося, весьма малого, значения i₀б_Р._уст. Иначе можно сказать, что обратное сопротивление диода R_o6р сначала оказывается сравнительно небольшим, а затем постепенно возрастает до своего нормального установившегося значения.

Время т_вос от момента возникновения обратного тока до момента, когда он принимает установившееся значение, называют временем восстановления обратного сопротивления. Это время -- важный параметр диодов, предназначенных для импульсной работы. У таких диодов т_вос не превышает десятых долей микросекунды. Чем оно меньше, тем лучше: тогда диод быстрее запирается.

Вторая причина возникновения импульса обратного тока -- заряд емкости диода под действием обратного напряжения. Зарядный ток этой емкости складывается с током рассасывания заряда, и в результате получается суммарный импульс обратного тока, который тем больше, чем больше емкость диода. Эта емкость у специальных диодов для импульсной работы не превышает единиц пикофарад.

Если импульс прямого тока имеет длительность значительно большую, чем длительность рассмотренных переходных процессов, то импульс обратного тока получается во много раз более коротким (рис. 3.15, в) и его можно не принимать во внимание.

Импульсные диоды, помимо параметров т_вос и С, характеризуются еще рядом параметров. К ним относятся постоянное прямое напряжение U_np, постоянный прямой ток /_пр, обратный ток 1_обр, обратное напряжение U_o6p, максимальные допустимые обратное напряжение С/_обртах и высота импульса прямого тока /_Пр _{и тах}.

2.7 Основные типы

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы по многим признакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции. В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь п-р-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

Точечные диоды имеют малую емкость п -- р-перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер.

Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также арсенид галлия (GaAs) и другие соединения.

Принцип устройства точечного диода показан на рис. 7.1. Тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной

Рис. 7.1. Принцип устройства точечного диода на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности

переменный полупроводниковый ток диод

При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный п -- р-переход полусферической формы. Следовательно,

разница между точечными и плоскостными диодами заключается в площади п -- р-перехода.

Германиевые точечные диоды обычно изготовляются из германия п-типа со сравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия p-типа работает в качестве эмиттера. Для изготовления кремниевых точечных диодов используются кремний n-типа и игла, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

Плоскостные диоды изготовляются главным образом методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 7.2). В пластинку германия n-типа вплавля при температуре около 500 °С каплю

Рис. 7.2. Принцип устройства плоскостных германиевых диодов, изготовленных сплавным (о) и диффузионным (б) методом индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа

Область с электропроводностью p-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий p-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область п-типа.

Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие, или ступенчатые, п-р-переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов в переходе.

Диффузионный метод изготовления п-р-перехода основан на том, что ато мы примеси диффундируют в основной полупроводник. Примесное вещество при этом обычно находится в газообразном состоянии. Для того чтобы диффузия была интенсивной, основной полупроводник нагревают до более высокой температуры, чем при методе сплавления. Например, пластинку германия и-типа нагревают до 900 °С и помещают в пары индия. Тогда на поверхности пластинки образуется слой германия p-типа. Изменяя длительность диффузии, можно довольно точно получать слой нужной толщины. После охлаждения его удаляют путем травления со всех частей пластинки, кроме одной грани. Диффузионный слой играет роль эмиттера. От него и от основной пластинки делают выводы. При диффузионном методе атомы примеси проникают на относительно большую глубину в основной полупроводник, и поэтому п -- р-переход получается плавным, т. е. в нем толщина области изменения концентрации примеси сравнима с толщиной области объемных зарядов.

Рассмотрим теперь диоды различного назначения.

Выпрямительные плоскостные диоды ,Широко расирос гранены низкочастотные выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц (иногда до 50 кГц). Эти диоды применяются в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Иногда их называют силовыми диодами. Низкочастотные диоды являются плоскостными и изготовляются из германия или кремния. Они делятся на диоды малой, средней и большой мощности, что соответствует предельным значениям выпрямленного тока до 300 мА, от 300 мА до 10 А и выше 10 А. Все параметры диодов обычно указываются для работы при температуре окружающей среды 20 + 5°С.

Германиевые диоды изготовляются, как правило, вплавлением индия в германий и-типа. Они -могут допускать плотность тока до 100 А/см² при прямом напряжении до 0,8 В. Предельное обратное напряжение у них не превышает 400 В, а обратный ток обычно бывает не более десятых долей миллиампера для диодов малой мощности и единиц миллиампер для диодов средней мощности. Рабочая температура этих диодов от --60 до + 75°С. Если диоды работают при температуре окружающей среды выше 20 °С, то необходимо снижать обратное напряжение. При пониженном атмосферном давлении или неудовлетворительном охлаждении возможен перегрев диодов. Чтобы не допускать его, следует снижать выпрямленный ток.

Мощные германиевые диоды работают с естественным охлаждением. Они изготовляются на выпрямленный ток до 1000 А и обратное напряжение до 150 В. Выпрямительные кремниевые диоды в последнее время получили особенно большое распространение. Они изготовляются вплавлением алюминия в кремний и-типа, а также сплава олова с фосфором или золота с сурьмой в кремний p-типа. Применяется и диффузионный метод. По сравнению с германиевыми кремниевые диоды имеют ряд преимуществ. Предельная плотность прямого тока у них до 200 А/см², а предельное обратное напряжение может быть до 1000 В. Рабочая температура от --60 до + 125°С (для некоторых типов даже до +150 °С). Прямое напряжение у кремниевых диодов доходит до 1,5 В, т. е. несколько больше, чем у германиевых диодов. Обратный ток у кремниевых диодов значительно меньше, чем у германиевых. Для выпрямления высоких напряжений выпускаются кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпусах, залитых изолирующей смолой. Они бывают рассчитаны на ток др сотен миллиампер и обратное напряжение до нескольких киловольт. Для более удобной сборки различных выпрямительных схем, например мостовых или удвои- тельных, служат кремниевые выпрямительные блоки. В них имеется несколько столбов, от которых сделаны отдельные выводы.



Заключения

В ходе выполнения данной работы были изучены строение и принципы действия полупроводниковых приборов диодов, отмечены основные характеристики и параметры данных приборов. Также перечислены важнейшие виды, типы и группы по классификации диодов с обозначениями по ГОСТу, изучены основные свойства p-n-переходов, на основе которых осуществляется электропроводимость приборов. Рассмотрены процессы, происходящие при включении диодов в электрическую цепь.

Благодаря выполнению данной работы мы научились работать со справочными материалами, строить ВАХ для определенного типа диодов и узнали принципы действия разных типов диодов.



Литература

переменный полупроводниковый ток диод

1.Жеребцов И.П. Основы электроники. -Л.: Энергоатомиздат

2.Федотов В.И. Основы электроники.-М. Высшая школа,1990г.

3.Интернет ресурсы

4.Галкин В.И., Пелевин Е.В. - Основы промышленной электроники.М.Высшая школа, 2006г.

5.Букреев Н.И., Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.:Радио и связь, 1990г.

6. Гершунский Б.С. - Основы электроники. М.: Высшая школа, 1987г.

Размещено на Allbest.ru