Какой электронный прибор называется полупроводниковым диодом

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема структуры полупроводникового диода (а)

и его графическое обозначение (б)

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область p-n-перехода на рис. 2.2) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p ислоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока.

Основные характеристики полупроводникового диода представляются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводникового диода

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами (рис. 2.3):

1. обратный ток при некоторой величине обратного напряжения I_обр, мкА;

2. падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод U_пр, в;

3. емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;

4. диапазон частот, в котором возможна работа без снижения выпрямленного тока f_гр, кГц;

5. рабочий диапазон температур.

Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа. Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты f_гр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения. Общий вид диодов показан на рис 2.4.

Рис. 2.4. Конструкция диодов малой мощности (а) и средней мощности (б)

Стабилитрон. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Условное графическое обозначение стабилитрона представлено на рис. 2.5,а.

Рис. 2.5. Графическое изображение полупроводниковых диодов:

а) стабилитрон; б) диод Шоттки; в) варикап; г) туннельный диод;

д) обращенный диод

В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно, т. е. стабилитрон стабилизирует напряжение. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона Д814Д представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика

кремниевого стабилитрона Д814Д

В стабилитронах может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой в зависимости от удельного сопротивления базы.

В стабилитронах с низкоомной базой (низковольтных, до 5,7 В) имеет место туннельный пробой, а в стабилитронах с высокоомной базой (высоковольтных) – лавинный пробой.

Основными является следующие параметры стабилитрона:

1. U_ст – напряжение стабилизации (при заданном токе в режиме пробоя);

2. I_ст.мин – минимально допустимый ток стабилизации;

3. I_{ст.макс} – максимально допустимый ток стабилизации;

4. r_ст – дифференциальное сопротивление стабилитрона (на участке пробоя), ;

5. (ТКН) – температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Величины U_ст , I_ст.мин и I_{ст.макс} принято указывать как положительные.

Для примера применения стабилитрона обратимся к схеме так называемого параметрического стабилизатора напряжения (рис. 2.7.). Легко заметить, что если напряжение u_вх настолько велико, что стабилитрон находится в режиме пробоя, то изменения этого напряжения практически не вызывают изменения напряжения u_вых (при изменении напряжения u_вх изменяется только ток i, а также напряжение ).

Рис. 2.7. Схема параметрического стабилизатора напряжения

Стабилитрон является быстродействующим прибором и хорошо работает в импульсных схемах.

Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений.

Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется не p-n-переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Условное графическое обозначение диода Шоттки представлено на рис. 2.5, б.

В обычных условиях прямой ток, образованный электронами зоны проводимости, переходящими из полупроводника в металл, имеет очень малую величину. Это является следствием недостатка электронов, энергия которых позволила бы им преодолеть данный барьер.

Для увеличения прямого тока необходимо «разогреть» электроны в полупроводнике, поднять их энергию. Такой разогрев может быть осуществлен с помощью электрического поля.

Если подключить источник внешнего напряжения плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику n-типа, то потенциальный барьер понизится и через переход начнет протекать прямой ток. При противоположном подключении потенциальный барьер увеличивается и ток оказывается весьма малым.

Диоды Шоттки – очень быстродействующие приборы, они могут работать на частотах до десятков гигагерц (1 ГГц=1·10 9 Гц). У диода Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое напряжение (при малых прямых токах) – около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых приборов. Максимально допустимый прямой ток может составлять десятки и сотни ампер, а максимально допустимое напряжение – сотни вольт.

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n-переходами и двумя выводами.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1, а, б.

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Одна из областей p-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в p-n-переходе различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы. Каждый тип диода содержит ряд типономиналов, регламентированных соответствующим ГОСТом.

На рис. 2 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов. База и эмиттер образуют омические переходы (контакт) с электродами. К электродам подсоединены металлические выводы, посредством которых диод включается в цепь.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов служит вольт-амперная характеристика. В отличие от характеристики идеального p-n- перехода (пунктирная кривая на рис. 3,а), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис. 3,а) в области прямых напряжений U располагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объёмном сопротивлении базы диода r .

Уравнение вольт-амперной характеристики имеет вид:

где U – напряжение на p-n-переходе; I –обратный (или тепловой) ток, – температурный потенциал электрона.

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объёме полупроводника. При достижении обратным напряжением определённого критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода:

электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. Электрический пробой бывает двух видов – лавинный и туннельный.

Полупроводниковые диоды отличаются друг от друга материалом полу-

проводника. Наиболее часто в них используют германий или кремний. Вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов представлены на рис. 3,б. При повышении температуры абсолютная величина изменения обратного тока в кремниевом диоде (рис. 4,а) значительно меньше, чем в германиевом (рис. 4,б).

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц – 100 кГц. В них используется главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. Главная особенность выпрямительных диодов большие площади p-n-перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение U_пр.._ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_{обр. ср} — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр. mах} (U_{обр. и mах}) – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп. ср mах} — средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Максимальная частота f_тах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока за счет односторонней проводимости диодов.

На рис. 5 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Работа выпрямителя происходит следующим образом. Если генератор вырабатывает синусоидальное напряжение,

то в течение положительного (+) полупериода напряжение для диода является прямым, его сопротивление мало, и через резистор проходит ток, который создает на резисторе R_Н падение напряжения U_вых _, повторяющее входное напряжение e(t). В следующий, отрицательный (–) полупериод, напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно, U_вых = 0. Таким образом, через диод и R_Н протекает пульсирующий выпрямленный ток. Он создает на резисторе R_Н пульсирующее выпрямленное напряжение U_вых .

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение U _ср (за полупериод):

Таким образом, U _ср составляет около 30% от максимального значения.

Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.

Высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды применяют для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов. Их основные параметры:

Максимально допустимые обратные напряжения U_{обр. mа}_х (U_{обр. и mа}_х) – постоянные (импульсные) обратные напряжения, превышение которых приводит к его немедленному повреждению.

Постоянное прямое напряжение U_пр – падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока I_пр – заданного ТУ.

Постоянный обратный ток I_обр — ток через диод при постоянном обратном напряжении (U_{обр мах}). Чем меньше I_обр , тем качественнее диод.

Емкость диода С_д — емкость между выводами при заданном напряжении. При увеличении обратного напряжения (по модулю) емкость С_д уменьшается.

При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода, что характеризуется следующими параметрами.

1) Время установления прямого напряжения на диоде (t_уст ) – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис. 6,а).

Это время связанно со скоростью диффузии и состоит в уменьшении сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда, инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.

2) Время восстановления обратного сопротивления диода (t_восст.) определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис. 6, б), обычно 10% от максимального обратного тока. Это время связано с рассасыванием в базе неосновных носителей заряда, накопленных при протекании прямого тока. Оно состоит из двух составляющих t_восст.= t₁_.+ t₂_., где t₁_. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль; t₂_. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объеме базы диода. В целом время восстановления это время выключения диода.

Там, где требуется малое время переключения, используют диоды Шотки. Они имеют переход металл — полупроводник, который обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значения порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.

Главная > Документ

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

16.6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом. Различают точечные (рис. 16.13) и плоскостные (рис. 16.14) диоды. В стеклянном или металлическом корпусе 2 точечного диода крепится германиевый или кремниевый кристалл n -типа 3 площадью порядка 1 мм 2 и толщиной 0,5 мм, к которому прижимается стальная или бронзовая игла 4, легированная акцепторной присадкой. Прибор включается в схемы через выводы 1 . В процессе формовки через контакт иглы с кристаллом пропускают мощные импульсы тока. При этом кончик иглы оплавляется и часть акцепторной примеси внедряется в кристалл. Вокруг иглы образуется микроскопическая (точечная) область с дырочной электропроводностью. На полусферической границе этой области с кристаллом n-типа возникает электронно-дырочный переход.

Малая площадь р-n-перехода в точечном диоде обеспечивает ему минимальное значение межэлектродной емкости.

Площадь р-n-перехода плоскостных диодов достигает десятков и сотен мм 2 .

Рис. 16.14. Конструкция плоскостного выпрямительного диода: 1 — вывод; 2 — стеклянная втулка; 3 — полупроводниковый кристалл; 4 — гайка, 5 — шайба; 6 — основание: 7 — металлический корпус

Для получения таких площадей используют методы сплавления или диффузии. При методе сплавления на пластинку кристалла с донорной примесью помещают таблетку акцепторной примеси, которая расплавляется при нагреве в печи. Расплав частично проникает в кристалл и образует область р-типа, граничащую с массой кристалла. У этой границы возникает р-n-переход.

При изготовлении диода методом диффузии кристалл с донорной примесью помещают в газовую среду акцептора (кристалл с акцепторной примесью — в газовую среду донора) и выдерживают длительное время при заданной температуре. Диффундируя в поверхность кристалла, молекулы акцептора (или донора) образуют область с типом электропроводности, противоположным типу электропроводности кристалла.

Метод сплавления позволяет получить р-n-переход с резким изменением концентрации примеси. При методе диффузии концентрация примесных атомов в области р-n-перехода изменяется плавно.

Мощные плоскостные полупроводниковые диоды, рассчитанные на большие токи, изготовляют в массивных металлических корпусах, обеспечивающих поглощение и отвод теплоты, выделяющейся в р-n-переходе. С помощью массивных шайб и гаек корпус диода плотно прижимается к монтажной металлической панели.

Основной характеристикой диода служит его вольт-амперная характеристика, вид которой совпадает с видом характеристики р-n-перехода (см. рис. 16.12). Вольт-амперная характеристика диода существенно зависит от температуры окружающей среды, с повышением которой прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. При заданном прямом токе с увеличением температуры снижается прямое напряжение между электродами диода.

Существенным образом влияет температура окружающей среды и на обратный ток, который тоже возрастает с увеличением температуры. При увеличении температуры окружающей среды выше определенного значения уже при небольших обратных напряжениях развивается тепловой пробой р-n-перехода и диод выходит из строя. Работоспособность германиевых диодов теряется при температуре около 70° С, а кремниевых — при 200° С. Высокая термическая устойчивость кремния — важнейшее его преимущество по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. Кремниевые диоды допускают плотность тока в прямом направлении 10 А/мм 2 и более, что позволяет изготовлять мощные полупроводниковые устройства с относительно небольшими массами и габаритами.

Одна из важных характеристик диода — пробивное обратное напряжение. Это напряжение зависит от ширины обедненного слоя и у современных плоскостных диодов равно сотням и тысячам вольт. Оно несколько увеличивается с повышением температуры, не выходящим за пределы работоспособности диода.

Внутреннее сопротивление плоскостных диодов прямому току при номинальных режимах работы составляет десятые доли ом, с повышением температуры оно уменьшается.

(Ответьте на карт. № 16.6а.)

Карточка № 16.6а (175) Полупроводниковые диоды

Укажите основное достоинство точечного диода

Малые размеры Простота конструкции

Малая емкость р-n-перехода

Какой метод не применяется для создания р-n-перехода в плоскостных диодах?

Формовка большими импульсными токами

Из какого материала может быть изготовлена таблетка примеси для получения р-n-перехода методом сплавления в кристалле р-n-типа?

Как изменяется пробивное напряжение диода с увеличением температуры от 0 до 70" С?

Это зависит от материала диода

С какой целью мощные диоды изготовляют в массивных металлических корпусах?

Для повышения прочности

Для лучшего отвода теплоты

Для повышения пробивного напряжения

Применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно. Рассмотрим наиболее характерные случаи.

Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными. Плоскостные диоды малой и средней мощности широко используют в схемах питания радиоаппаратуры, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производствах.

Для характеристики выпрямительных свойств диодов вводится коэффициент выпрямления, равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении (например, 1 В). Чем выше коэффициент выпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.

Рис. 16.16.. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты (ультракоротковолновая и космическая радиосвязь, радиолокация, телеизмерительная техника и т. д.), называют высокочастотными. СВЧ-диоды используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц, а также в каскадах преобразования частоты радиоприемных устройств. В качестве высокочастотных обычно применяют точечные диоды, емкость электронно-дырочного перехода в которых составляет сотые и десятые доли пикофарад.

Детекторные свойства СВЧ-диода, определяемые коэффициентом выпрямления, зависят от емкости р-n-перехода. Чем меньше эта емкость, тем больше коэффициент выпрямления.

Ранее установили, что ширина обедненного слоя и, следовательно, емкость электронно-дырочного перехода зависят от напряжения, приложенного в непроводящем направлении. Такая зависимость дает возможность изменять емкость диода, варьируя обратное напряжение на нем. Диоды, применяемые в качестве конденсаторов с управляемой емкостью, называют варикапами.

Наличие у диода критического обратного напряжения, при котором наступает электрический (не тепловой) пробой (см. рис. 16.12), позволяет использовать полупроводниковый диод в схемах стабилизации напряжения.

Вспомним явление электронно-дырочного перехода электрический пробой

Электрический пробой вызывается совместным действием двух факторов: ударной ионизацией атомов и туннельным эффектом. Ударная ионизация возникает, когда под действием обратного напряжения электроны проводимости приобретают на расстоянии, равном длине свободного пробега, энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристалла. При этом происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток возрастает.

Туннельный эффект выражается в том, что электрон с энергетического уровня области р проникает сквозь потенциальный барьер без потери энергии на такой же энергетический уровень области n . При увеличении напряжения до U Kp вероятность таких переходов возрастает, что и приводит к увеличению обратного тока.

Одна из возможных схем стабилизации представлена на рис. 16.15. Выходное напряжение схемы с большой степенью точности поддерживается на заданном уровне U ВЫХ = const, равном критическому (пробивному) напряжению диода С Т . Разница между входным и выходным напряжениями гасится на сопротивлении R г .

Если входное напряжение возрастает, то увеличивается и обратный ток диода, возрастает ток I и падение напряжения на гасящем сопротивлении R r . Приращения напряжений ΔU вx и Δ I · R г взаимно компенсируются, а U вых сохраняется на заданном уровне.

Диод, используемый для стабилизации напряжения, называется стабилитроном. Недостаток рассмотренной схемы — зависимость пробивного напряжения стабилитрона, а следовательно, и выходного напряжения U вых от температуры. Эту зависимость можно существенно уменьшить, включив последовательно со стабилитроном компенсирующий диод в прямом направлении.

Для стабилизации малых напряжений (порядка 1 В) используют диод, включенный по той же схеме, но в прямом направлении. При этом для повышения степени стабильности выходного напряжения структуру электронно-дырочного перехода формируют так, чтобы вольт-амперная характеристика диода в прямом направлении по возможности круто поднималась вверх при возрастании напряжения стабилизации (рис. 16.16).

При больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельный эффект р-п- перехода. При этом в вольт-амперной характеристике диода появляется участок с отрицательным сопротивлением (прямой ток увеличивается с уменьшением прямого напряжения), что позволяет использовать его в схемах генерации и усиления электрических колебаний. Такие диоды называют туннельными.

Для работы в импульсных схемах изготовляют импульсные диоды, у которых перераспределение носителей зарядов в р-n-переходах при смене полярности напряжения (переходные процессы) происходит в десятые доли наносекунды. Чем меньше время переходных процессов, тем меньше искажается форма импульсов. Для ускорения переходных процессов уменьшают до возможного предела межэлектродную емкость, а также легируют область р-n-перехода небольшой присадкой золота.