Главная Электрооборудование

Полупроводниковые выпрямительные диоды. Выпрямительные свойства p-n перехода

27.02.2018

Лабораторная работа №2

« Выпрямительный диод »

Цель работы:

снятие основных вольт – амперных характеристик выпрямительных диодов и исследование влияния температуры на эти характеристики.


1. Общие сведения

1.1. Полупроводниковый диод

Простейшим полупроводниковым прибором является диод. Он снабжен двумя электродами, называемыми анодом и катодом, и использ у ет свойство односторонней проводимости (или вентильности) электрич е ского пер е хода.

В качестве такого перехода наибольшее распространение получил p - n переход, образующийся в кристалле полупроводника на гр а нице двух слоев, один из которых характеризуется дырочной проводим о стью (р-слой), а другой – электронной (n -слой). На границе слоев устана в ливаются условия, препятствующие взаимному проникновению основных носителей заряда из о д ного слоя в другой.

Это объясняется тем, что при диффузии дырок, основных носителей заряда р-слоя, в n – слой и электр о нов, основных носителей заряда n -слоя, в р-слой по обе стороны границы образуются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов: пришедшие в n -слой дырки нейтрализуются эле к тронами этого слоя, в результате чего создается избыток положительных з а рядов, а пришедшие в р-слой электроны нейтрализуются дырками этого слоя, в результате чего создае т ся избыток отрицательных зарядов.

Таким о б разом, нескомпенсированный положительный заряд в n -слое препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-слоя, а нескомпенсированный отрицательный заряд в р-слое препятс т вует диффузии электронов из n -слоя, то есть в p - n переходе создается п о тенциальный барьер.

Рис.1 Полупроводниковый диод: а- структурная схема, б- схемное обозначение

В диоде с p - n переходом анодный электрод соединен с р - слоем, катодный - с n - слоем, как показано на рис.1а. Схемное обозначение полупроводник о вого диода представлено на рис. 1б.

Вентильное свойство диода отраж а ет его вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 2а. При положительном напряжении (анод находится под более высоким потенциалом, чем катод) диод открыт: под действием приложенного н а пряжения носители заряда преодолевают потенциальный бар ь ер и через p - n переход протекает ток, который обусловлен переносом, главным обр а зом, основных носителей заряда р-слоя, дырок. Падение напряжения на о т крытом диоде (участок I на рис.2а) мало и обычно не превыш а ет одного вольта.


Рис. 2 Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

а - при различном масштабе токов и напряжения для прямого и обратн о го направлений, б - при одинаковом масштабе

При отрицательном напряжении (п о тенциал анода ниже потенциала катода) ток диода связан с переносом неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. Величина тока на н е сколько порядков меньше тока открытого диода, а напряжение в сотни раз больше. Этот факт отр а жен на рис. 2а разными масштабами на осях токов и напряжений для положительных и отрицательных значений параметров. Пренебрежимо малые токи при отрицательном напряжении свидетельствуют о закрытом состоянии диода (уч а сток II на рис. 2а).

На рис. 2б участки I и II вольт-амперной характеристики диода представлены в одинаковом масштабе, когда можно пренебречь падением н а пряжения в открытом состоянии и протеканием тока – в закрытом. В первом приближении можно считать, что величина сопротивления откр ы того диода равна нулю, а закрытого - бесконечности.

Участок II вольт-амперной характеристики диода (рис. 2а) при ув е личении отрицательного напряжения переходит в участок III , где имеет место сильный рост тока при незначительном увеличении напряжения. На этом участке в p - n переходе происходит электрический пробой, то есть лавинообразное увеличение тока. Характерной чертой такого пробоя является обрат и мость: при снятии напряжения и последующем его увеличении ход вольт-амперной характеристики не изменяется, прибор сохраняет свою работоспособность. Участок электрического пробоя вольт-амперной х а рактеристики переходит в участок IV , где происходит тепловой пробой p - n перехода, при котором нагрев кристалла приводит к разрушению перехода, в результате ч е го диод выходит из строя.

Участки I и II вольт-амперной характеристики на рис. 2а использую т ся с целью выпрямления переменного напряжения, принцип которого можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на рис. 3а. На вход схемы подается переменное напряжение, которое представлено синусо и дой на рис. 3б временной диаграммы. В интервале фаз на анод диода подается положительное напряжение, а на катод – отрицател ь ное. Диод находится в открытом состоянии, и через последовательно включенную с ним нагрузку протекает ток. Если считать нулевым сопр о тивление открытого диода, то все подводимое к нему напряжение оказыв а ется приложенным к нагрузке, что отражено на рис. 3в. При отрицательном п о лупериоде входного напряжения (интервал фаз) диод закрыт и через него в нагрузку напряжение не проходит. Таким образом, к нагру з ке подводится только положительное напряжение, временная завис и мость которого представлена на рис. 3в. Поскольку оно действует в теч е ние одного полупериода входн о го напряжения, схема на рис. 3а является однополупериодной.


Рис.3 Однополупериодный выпрямитель: а – схема выпрямителя; б, в – временные диаграммы, иллюстрирующие его работу

Необходимо иметь в виду, что переход диода из закрытого состояния в открытое и наоборот происходит с задержкой во времени, что объясняе т ся инерционностью процессов накопления необходимой концентрации з а ряда в области p - n перехода при его открытии и рассасыванием этого зар я да при закрытии.

Рис. 4. а. Схема замещения полупроводникового диода.

Б. Схема, иллюстрирующая образование двойного электрического слоя в закрытом p - n переходе

На рис. 4а приведена схема замещения p - n перехода, основного элемента диода, работающего на участках I и П вольт-амперной характ е ристики. Наличие в схеме ключа К отражает возможность пребывания п е рехода в двух состояниях. Положение «а» ключа соответствует открытому состоянию, в котором переход характеризуется весьма малой величиной сопротивления. Положение «б» ключа соответствует закрытому состо я нию, в котором переход эквивалентен параллельному соединению акти в ного сопротивления очень большой величины и емкости, получившей н а именование «барьерной». Эта емкость отражает факт образования двойного электрич е ского слоя в закрытом p - n переходе, что иллюстрируется рис. 4б, кот о рым обусловлен потенциальный барьер, препятствующий диффузии о с новных носителей заряда через переход.

Надежная работа выпрямительного диода обеспечивается лишь в том случае, если он работает при электрических параметрах, величины кот о рых не превышают допустимые значения. Эти значения приводятся в справочных данных. Такими параметрами выпрямительного диода обычно считаются:

  • максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому ди о ду, предшествующее развитию пробоя в приборе
  • максимально допустимые значения среднего и импульсного токов, при которых не происходит перегрева прибора в открытом состо я нии.

По уровню мощности диоды подразделяются на приборы маломо щ ные, средней и большой мощности. В маломощных диодах величина сре д него тока не превышает 0,3А, в диодах средней мощности величины тока находятся в пределах 0,3 - 10А, а в диодах большой мощности величина тока м о жет достигать 1000А и выше.

В режиме электрического пробоя при низких напряжениях диод может пребывать в течение длительного времени. Поэтому участок III на вольт-амперной характеристике полупроводникового диода на рис. 2а можно использовать для цели стабилизации напряжения. Такой режим реализуется в специальных диодах, получивших название стабилитронов. В этих приборах обеспечивается достаточно широкий интервал анодных токов, в котором величина напряжения практически не изменяется.

1.2. Температурные свойства полупроводниковые диодов.

На электропроводимость полупроводниковых диодов значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры увеличивается генерация пар носителей заряда, т.е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растёт.

На рис. 5. для германиевого диода (Ge ). видно, что токи I пр и I оьр растут. Это объясняется усилением генерации электронов и дырок. Для Ge диодов I оьр возрастает примерно в два раза, при повышении температуры на каждые десять градусов.


Рис. 5

У Si диодов при нагреве на каждые 10 градусов I оьр увеличивается в 2,5 раза, а напряжение эл. пробоя сначала возрастает а затем снижается.

I пр при нагреве растёт не так сильно, как обратное. Это является следствием того, что I пр возникает главным образом за счёт примесной проводимости, а их концентрация не зависит от температуры.

2. Экспериментальная часть


Рис 6 . Схема лабораторной установки

Элементы лабораторной схемы

  • Диод Д226Б
  • Потенциометр Б5К
  • Резистор 2,4 кОм

Рис 7. Диод Д226Б

Таблица 1. Характеристика диода Д226Б

Тип диода

выпрямительный

Максимальное постоянное обратное напряжение,В

Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод) ток,А

Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток,А

Максимальное время восстановления,мкс

Максимальное импульсное обратное напряжение,В

Максимально допустимый прямой импульсный ток,А

Максимальный обратный ток,мкА

Максимальное прямое напряжение,В

при Iпр.,А

Рабочая частота,кГц

Общая емкость,Сд.пФ

Рабочая температура,С

60...80

Способ монтажа

в отверстие

Корпус

kdu91

Производитель

Россия

Таблица 2 . Прямая ВАХ диода Д226Б (при комнатной температуре)

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

4,86

0,64

3,34

0,62

2,23

1,59

0,58

1,09

0,56

0,52

0,42

Таблица 3. Обратная ВАХ диода Д226Б (при комнатной температуре)

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

1,078

6,14

1,073

6,09

0,97

5,55

0,94

5,37

0,76

4,36

0,732

4,17

0,539

3,07

0,29

1,69

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

6,19

0,62

4,94

0,60

2,10

0,55

0,83

0,45

0,21

0,39

0,11

0,05

0,12

Таблица 5. Обратная ВАХ диода Д226Б (T = 35˚ C )

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

2,69

2,18

2,09

7,33

1,74

1,45

1,15

0,89

0,59

0,31

0,17

0,58

0,08

Таблица 6 . Прямая ВАХ диода Д226Б (T = 50˚ C )

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

6,35

0,64

5,05

0,612

4,08

0,578

3,15

0,515

2,21

0,385

1,49

0,257

0,82

0,141

0,17

0,025

Таблица 7. Обратная ВАХ (t = 50˚ C )

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

2,64

2,12

1,85

1,55

1,26

0,97

0,69

0,42

0,29

0,19

0,12

График измеренной вольт – амперной характеристики диода Д226Б при разных температурных режимах приведен на рис. 8.

Вывод

В результате выполнения лабораторной работы были сняты вольт – амперные характеристики диода Д226Б при обычном режиме работы и при нагревании до температуры 35˚С и 50˚С.

Было установлено, что ток диода зависит от температуры окружающей среды. 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.

У германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10ºC.

У кремниевых диодов при нагреве на каждые 10ºС обратный ток увеличивается в 2,5 раза, а напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, затем уменьшается.

Список литературы

  1. Электротехника и основы электроники/ О.А. Антонова, О.П. Глудкин, П.Д. Давидов. Под ред. О.П. Глудкина, В.П. Соколова. – М. : Высшая школа, 1998
  2. Жеребцов И. П. Основы электроники. – Л. Энергоатомиздат, 1999

3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов / Ю.С.Забродин. М.: Высшая школа, 1982.

4. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника: учебник для вузов/ Г.Н.Горбачев, Е.Е.Чаплыгин. М.: Энергоатомиздат, 1988.

5. Основы промышленной электроники: учеб. пособие для вузов/ под ред. В.Г.Герасимова. М.: Высшая школа, 1986.

6. Артюхов И.И. Основы выпрямительной техники: учеб. пособие / И.И.Артюхов, М.А.Фурсаев. Саратов: СГТУ, 2005.

Если к слоям полупроводника приложить внешнее напряжение так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением.

Если же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространства, то это приведет лишь к увеличению толщины слоёв пространственного заряда, и ток через p-n-переход очень мал и определяется тепловой или фотонной генерацией пар электрон-дырка. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением.




Если к p-n переходу подключить внешнее напряжение Eвн, полярность которого противоположна полярности контактной разности Uк потенциалов, то такое включение называется прямым (n-область подключается к отрицательному полюсу Евн, а p-область - к положительному полюсу Евн). При таком включении в p-n переходе появляется дополнительное внешнее электрическое поле, уменьшающее его внутреннее поле. Суммарное поле Еε, действующее в переходе, будет определяться:

Под действием внешнего поля основные носители заряда будут двигаться к p-n переходу, уменьшая потенциальный барьер и ширину p-n перехода, которая будет определяться:

Появится приращение диффузионного тока, которое стало возможным благодаря увеличению энергии основных носителей заряда и уменьшению потенциального барьера. Это приведет к нарушению равновесию между диффузионными и дрейфовыми токами. С увеличением |Eвн| будет расти диффузионный ток.

При |Uк|=|Евн| толщина перехода стремится к нулю, т.к. внешнее напряжение почти полностью компенсирует Uк. При этом основные носители заряда начнут свободно диффундировать в области с противоположным типом электропроводности. Через переход потечет ток, который называется прямым :

, поскольку ,

Процесс введения («нагнетания») носителей заряда через p-n переход в области, где они становятся неосновными носителями за счет уменьшения потенциального барьера, называется инжекцией.

В симметричных p-n переходах имеет место двухсторонняя инжекция . (Nn=Pp )

В несимметричных p-n переходах (Nd >> Na, Nn >> Pp; или Nd << Na, Pp >> Nn) концентрации основных носителей различаются на несколько порядков ( - ), поэтому концентрация инжектированных неосновных носителей будет гораздо выше в высокоомном слое, чем в низкоомном.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называется эмиттером ; слой, в который инжектируются неосновные для него носители, называется базой . При прямом включении перехода электроны, перешедшие из n-области в p-область, перемещаются внутри этой области по причинам диффузии и дрейфа. Часть электронов при этом движении рекомбинирует с дырками p-области, а оставшаяся часть, захваченная полем внешнего источника, попадает на его положительный полюс, замыкая цепь.

Дырки, перешедшие из p-области в n-область, полностью рекомбинируют в n-области. Прямой ток Iпр через переход ограничивается омическим сопротивлением p- и n-областей и внутренним сопротивлением Евн, в результате чего Iпр может достичь значений, превышающих допустимые, что разрушит p-n переход. Для исключения этого, Iпр должен ограничиваться элементами, например, резисторами, включаемыми последовательно в цепь p-n перехода. Рассмотрим энергетические зонные диаграммы p-n перехода, находящегося в равновесном состоянии и смещенном в прямом направлении.

Диаграмма без смещения p-n перехода.



– квазипотенциал Ферми;

`n и `p – квазиуровни Ферми для неравновесного состояния.

Энергетическая диаграмма p-n перехода при прямом смещении.

В отсутствии термодинамического равновесия принято вводить две новые величины `n и `p, которые заменяют n и p. `n и `p – называютквазиуровнями Ферми электронов и дырок соответственно.

; - квазипотенциалы Ферми электронов и дырок.

Подача внешнего напряжения на p-n переход (прямого) приводит к смещению квазиуровней Ферми относительного равновесного положения. Если Евн>0, то эта величина вычитается из Uк и ширина обедненной области уменьшается.

При прямом напряжении на переходе ток диффузии основных носителей заряда I0=Iдиф увеличивается в exp(Евн/φТ) раз за счет снижения потенциального барьера и является функцией приложенного напряжения:
, где – ток, протекающий через p-n переход в равновесном состоянии в прямом направлении.

Дрейфовая составляющая тока при приложении внешнего прямого напряжения остается практически без изменений Iдр=const. Но поскольку в равновесном состоянии |Iдиф| = |Iдр| , то Iдр = -I0 . Знак минус указывает на то, что этот ток течет навстречу диффузионному току.

Но поскольку Iпр есть разность между Iдиф и Iдр, то


Емкость p-n перехода

В высокоомном обедненном слое p-n перехода по обе стороны от его границы существуют равные по значению и противоположные по знаку объемные заряды: отрицательный в p –области, положительный - в n -области. Эти заряды обусловлены наличием ионов примесей и (рис. 4.7), а при подаче прямого смещения на переход – дополнительными зарядами, возникшими в процессе инжекции неосновных носителей заряда. В зависимости от приложенного напряжения изменяется толщина обедненного слоя и, следовательно, значения зарядов Q . Это указывает на то, чтоp-n переход обладает электрической емкостью , где U – контактная разность потенциалов в p-n переходе. В общем случае емкость p-n перехода складывается из двух составляющих:

С =С бар +С дф, (4.13)

где С бар – барьерная емкость p-n перехода при подаче на него обратного напряжения U обр; С дф – диффузионная емкость, возникает при подаче на p-n переход прямого напряжения U пр.

Емкость при обратном напряжении. Обратносмещенный р-п переход характеризуется удельной барьерной емкостью , где S - пло­­щадь пе­ре­хо­да. Природа барьерной ем­ко­с­ти связана с разделением за­ря­дов в обедненной области p-n пе­ре­хода. Величина этого заряда в ступенчатом (резком) определяется со­­от­но­шением

, (4.14)

где N d и N а - ко­­н­центрация примеси в n- и p- областях пе­­ре­хода.

Учитывая фор­­мулу (4.4) для расчета ши­ри­ны обедненного слоя l , в ко­то­рой значение j к заменено на j к +U ,

,

для величины заряда получаем

. (4.15)

Проводя дифференцирование (4.15) по напряжению U , получим искомое со­от­но­ше­ние для удельной ба­рьерной емкости p-n перехода в виде

. (4.16)

Если p-n переход несимметричный, то есть концентрация легирующей примеси в одной из областей перехода значительно превышает концентрацию в другой области, то выражение для С бар упрощается и принимает вид

, (4.17)

где N – концентрация примеси в высокоомной области p-n перехода

Для кремния при N =10 22 м -3 и U= 4 В получаем зна­че­ние С б око­ло 1,5×10 -4 Ф/м 2 . При площади перехода S =10 -6 м 2 барь­ер­ная ем­кость составит около 150 пФ.

Зависимость емкости от напряжения называется вольт-фарадной характеристикой . Из соотношений (4.16) и (4.17) сле­ду­­­ет, что с ростом обратного сме­щения на p-n переходе ба­рь­­ер­ная емкость довольно быстро сни­жается. Это свойство ис­по­ль­­зуе­тся при из­готовлении кон­ден­са­торов переменной емкости с эле­к­т­ри­­­ческим управлением ве­ли­чи­ной емкости, называемых ва­ри­­ка­пами .

Емкость при прямом напряжении. В данном случае существуют две физические причины, определяющие емкость p-n перехода. Первая из них – та же, что и для обратного напряжения: это изменение зарядов в обедненном слое. Вторая заключается в том, что с увеличением напряжения, приложенного к p-n переходу, возрастает концентрация инжектированных носителей в нейтральных областях вблизи границ перехода и, соответственно, значение накопленного заряда, обусловленного этими носителями. Следовательно, возрастает значение накопленного заряда Q С дф увеличивается с ростом прямого напряжения по экспоненциальному закону (4.18). Поэтому диффузионная емкость меньше барьерной вплоть до напряжения отпирания p-n перехода (U <0,5…0,6 В), затем она резко увеличивается и, при U >0,6 В, начинает превышать барьерную емкость.

В полупроводниках можно создать также более сложные по фи­зи­ческой структуре n-p-n и р-n-p , а также n-p-n-p и р-n-p-n пе­ре­хо­ды, позволяющие уси­ли­вать и переключать токи. Указанные пе­реходы лежат в ос­нове создания по­лу­­про­водниковых при­бо­ров, называемых би­по­лярными тран­зис­­то­рами и тиристорами.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Урок 5 Выпрямительный диод

5.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква "Д". Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 2.2.

В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой мощности (/ пр, m ах < 0,3 А) и средней мощности (0,3 А < / пр, m ах < 10 А). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом.

Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения (рис. 2.3, б).

Обычно допустимая плотность тока, проходящего через р-n-переход, не превышает 2 А/мм 2 , поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные р-n-переходы. Получающаяся при этом большая емкость р-n-перехода существенного влияния на работу диода не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

Вольтамперные характеристики германиевых и кремниевых диодов одинаковой конструкции различаются. На рис 2.4 для сравнения показаны характеристики германиевого (Д3О4) и кремниевого (Д242) диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Поскольку ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно меньше. Кроме того, обратная ветвь характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в р-n-переходе и токами утечки по поверхности кристалла.

Вследствие большого обратного тока у германиевых диодов наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них возникает электрический пробой.

Поскольку прямой ток диода определяется по уравнению, вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. По этой причине крутизна у германиевых диодов больше, чем у кремниевых.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее генерация носителей зарядов, и увеличиваются обратный и прямой токи диода.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 градусов обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых - в 2,5 раза. Однако вследствие того, что при комнатной температуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у кремниевого, абсолютное значение приращения обратного тока у германиевого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем у кремниевого. Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощности, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для того чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

Рассмотренные типы диодов позволяют выпрямлять переменный ток в устройствах сравнительно низкого напряжения (500...700 В). Для выпрямления более высокого напряжения используют последовательное включение диодов. В настоящее время выпускаются выпрямительные столбы и блоки (второй элемент обозначения - буква "Ц"), которые состоят из специально подобранных диодов, соединенных между собой и заключенных в общий корпус.

5.2 Принцип действия, характеристики и параметры выпрямительных диодов

Принцип действия выпрямительных диодов основан на свойстве односторонней электропроводности р-п перехода. Если к диоду подвести переменное напряжение (рис. 1.15), то в течение одного полупериода, когда на аноде положительная полуволна, на р-п переходе действует прямое напряжение. При этом сопротивление диода мало; через него протекает большой прямой ток. В следующий полупериод полярность напряжения на диоде меняется на обратную. Его сопротивление значительно увеличивается; через него проходит очень малый обратный ток.

Нагрузку включают в цепь источника питания последовательно с диодом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с прямым можно пренебречь. Таким образом, происходит выпрямление, т. е. преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий).

Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простейшей. На практике применяют более сложные схемы.

Вольтамперная характеристика диода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения. Ее вид определяется вольтамперной характеристикой р-п перехода (см. рис. 1.11). Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов. Вольтамперная характеристика диода, как и р-п перехода, имеет две ветви: прямую и обратную.

Схема для снятия вольтамперной характеристики диода приведена на рис. 1.16. При снятии прямой ветви в схему включаются миллиамперметр для измерения прямого тока и вольтметр, позволяющий измерить доли вольта. Для получения обратной ветви необходимо изменить полярность подаваемого напряжения, включить микроамперметр, измеряющий обратный ток, и вольтметр со шкалой на десятки и сотни вольт.

На рис. 1.17 представлены реальные вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диода. В области очень малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенциальный барьер, ток настолько еще мал и так медленно растет, что его не показывает миллиамперметр в схеме для снятия характеристик и его невозможно отложить на графике в масштабе, выбираемом для построения прямой ветви. Поэтому реальная характеристика в прямом направлении начинается не из 0, а при некотором напряжении, называемом пороговым. Пороговое напряжение U пор составляет десятые доли вольта; для кремниевого диода оно больше, чем для германиевого; с повышением температуры пороговое напряжение уменьшается. Абсолютная величина сдвига прямой ветви характеристики кремниевых диодов при изменении температуры меньше, чем у германиевых.

Обратные ветви характеристик кремниевого и германиевого диодов сильно отличаются от теоретических характеристик р-п перехода и друг от друга. Это объясняется тем, что величина обратного тока в реальных условиях определяется не только тепловым током, но также током утечки по кристаллу и другими факторами. Ток утечки зависит от обратного напряжения и почти не зависит от температуры, а тепловой ток, наоборот, зависит только от температуры. У германиевых диодов обратный ток определяется главным образом тепловым током, поэтому он сильно растет с повышением температуры и мало зависит от. При данной температуре / обр только на начальном от 0 участке резко возрастает; как было сказано, это происходит из-за уменьшения тока диффузии основных носителей заряда, протекавшего при прямом напряжении. У кремниевых диодов величина / обр определяется током утечки, так как тепловой ток значительно меньше. Поэтому с увеличением у них равномерно растет / о6р, начиная с нуля.

С повышением температуры у германиевых диодов пробивное напряжение резко падает, а у кремниевых немного увеличивается.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

прямое напряжение -- значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;

обратный ток /обр -- значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

сопротивление диода в прямом направлении

оно составляет единицы и десятки Ом;

сопротивление диода в обратном направлении

оно составляет единицы мегаом;

дифференциальное сопротивление диода г лиф --отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока

Прямое и обратное сопротивления -- это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление -- это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольтамперной характеристики к оси абсцисс.

При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение имеют предельно допустимые режимы их использования, характеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обеспечения длительной и надежной работы диодов нельзя превышать ни при каких условиях:

максимально допустимое обратное напряжение, которое определяется с запасом как 0,7--0,8 U npo 6 ;

максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом -- ;

максимально допустимый постоянный прямой ток;

диапазон рабочей температуры.

Германиевые диоды работают в диапазоне температур от --60 до плюс 70--80 °С, кремниевые -- до плюс 120--160 °С; допустимая плотность прямого тока для германиевых диодов 20--40 А/см 2 , для кремниевых 60--80 А/см 2 ; для германиевых диодов допустимы обратные напряжения до 500--600 В, для кремниевых -- до 2000 --3500 В; падение напряжения на германиевом диоде при прохождении прямого тока составляет 0,3-- 0,6 В, а на кремниевом -- 0,8--1,2 В.

Сравнивая свойства германиевых и кремниевых диодов, можно отметить, что кремниевые диоды имеют на несколько порядков меньший обратный ток, допускают гораздо большие обратные напряжения и плотности прямого тока, могут быть использованы при более высоких температурах. Поэтому выпрямительные диоды изготовляют главным образом из кремния, хотя падение напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем на германиевом.

5.3 Классификация выпрямительных диодов по мощности

Выпрямительным называют полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Принцип работы выпрямительных диодов основан на выпрямительном свойстве p-n перехода. В зависимости от максимально допустимого среднего значения прямого тока выпрямительные диоды делят на диоды малой, средней и большой мощности.

Диоды малой мощности предназначены для выпрямления токов до 300 мА, диоды средней и большой мощности соответственно от 300 мА до 10 А и от 10 до 1000 А.

Промышленностью выпускаются германиевые и кремниевые диоды. Преимущества кремниевых диодов: малые обратные токи, возможность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших обратных напряжений, большие допустимые плотности прямого тока (60-80 А/см 2 по сравнению с 20-40 А/см 2 у германиевых); преимущества германиевых диодов: малое падение напряжения при пропускании прямого тока (0,3 - 0,6 В по сравнению с 0,8 - 1,2 В у кремниевых).

Диоды, предназначенные для работы в различных выпрямительных схемах источников питания, могут выпрямлять токи низкой частоты (50…20000 Гц). В таких диодах применяются, как правило, плоскостные p-n переходы, изготовление сплавным или диффузионным методом.

Большинство выпрямительных диодов, предназначенных для работы в устройствах преобразования электрических сигналов в радиоэлектронной аппаратуре (детекторы, ограничители уровня и др.), работают на частотах вплоть до нескольких сотен мегагерц. По методам изготовления, конструктивному исполнению, характеристикам и параметрам эти группы диодов существенно отличаются от низкочастотных выпрямительных диодов и называются высокочастотными выпрямительными диодами.

Справочным параметром низкочастотных выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимое среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180? (полупериод) и частоте f = 50 Гц, обозначается . Другим основным параметром является максимально допустимое обратное напряжение -- напряжение, приложенное в обратном направлении. Это напряжение диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности. Максимальное обратное напряжение маломощных выпрямительных диодов лежит в диапазоне от десятков вольт до 1200 В. На более высокие напряжения промышленностью выпускаются выпрямительные столбы, использующие последовательное соединение диодов. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА для кремниевых. Конструкция низкочастотных выпрямительных диодов малой мощности приведена на рис. 4.3, а на примере сплавного германиевого диода, а его вольт-амперная характеристика -- на рис. 4.3, б.

Конструктивно выпрямительный диод выполнен в металлическом герметичном сварном корпусе. Для улучшения теплоотвода кристалл 7 припаивают непосредственно к кристаллодержателю 8, который, являясь базовой областью, имеет внешний вывод 9. Этот вывод принято называть катодом. К основанию кристаллодержателя приваривается крышка корпуса 4 со стеклянным изолятором 3, через который проходит трубка 2 с внешним выводом от эмиттера /. Эмиттерный вывод принято называть анодом. Внутренний вывод анода 5 соединен со слоем эмиттера, который получается вплавлением таблетки индия 6 в тело германия. На рис. 4.3, в дано условное графическое обозначение диода. В выпрямительных диодах средней мощности большой прямой ток достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади р-п перехода. Диоды средней мощности преимущественно выпускаются кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой площади р-п перехода достаточно мал (несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого тока в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора. Для улучшения условий теплоотвода в этих диодах применяют дополнительные охладители-радиаторы. Радиаторы изготавливают из металла, обладающего хорошей теплопроводностью (обычно сплавы алюминия) и большей площадью поверхности для лучшей передачи теплоты в окружающую среду. Чтобы уменьшить механические напряжения, возникающие от нагрева и охлаждения при работе диода, материал корпуса и трубки делают из сплава ковара (29 % Ni, 18 % Со и 53% Fe), у которого коэффициент линейного расширения согласован со стеклом. Для улучшения излучающей способности радиаторы часто подвергают чернению. Для крепления радиатора корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой. Пример возможной конструкции выпрямительных диодов средней мощности приведен на рис. 4.4.

Мощные (силовые) диоды различаются по частотным свойствам и работают на частотах от десятков герц до десятков килогерц. Мощные диоды изготавливаются преимущественно из кремния. Кремниевая пластина, создаваемая диффузионным методом, представляет собой диск диаметром 10--100 мм и толщиной 0,3--0,6 мм. Пример возможной конструкции мощного диода показан на рис. 4.5.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в р-п переходе. Поэтому в установках с мощными диодами применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении тепло отводится с помощью радиатора и проходящего вдоль его теплоотводящих ребер потока воздуха. При этом охлаждение может быть естественным, если отвод теплоты в окружающую среду определяется естественной конвенкцией воздуха, или принудительным, если используется принудительный обдув корпуса прибора и его радиатора с помощью вентилятора.

Рис 4.4. Конструкция кремниевого выпрямительного диода средней мощности: 1 - внешний вывод (анод), 2 - трубка, 3 - стеклянный изолятор 4 - корпус, 5 - внутренний вывод анода, 6 - алюминий 7 - кристалл кремния, 8 - теплоотводящее основание, 9 - кристаллодержатель, 10 - внешний вывод (катод).

Рис 4.5. Конструкция мощного кремниевого выпрямительного диода. 1 - внешний гибкий вывод (анод), 2 - стакан, 3 - стеклянный изолятор, 4 - внутренний гибкий вывод анода, 5 - корпус, 6 - чашечка, 7 - кристалл кремния, 8 - кристаллодержатель (катод), 9 - шпилька для крепления к радиатору.

При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость, например вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости. В последнее время широкое применение получило испарительное охлаждение, основанное на отводе теплоты за счет образования пузырей пара у теплоотводящей поверхности охладителя. Образовавшийся пар поступает в теплообменник, связанный с внешней средой. Этот способ эффективен из-за высоких значений теплоты парообразования жидкостей. Силовые диоды нуждаются в защите от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах, а также атмосферных воздействиях и грозовых молний. При этом к диоду прикладывается в обратном направлении дополнительный импульс напряжения, который может привести вначале к электрическому пробою, а затем к тепловому. Чтобы не наступил тепловой пробой, после которого переход теряет свои выпрямительные свойства, необходимо ограничить по времени действие импульса перенапряжения. Такую задачу должны выполнять различные устройства аварийной автоматики.

Очень часто требуемые допустимые выпрямленный ток и максимальное обратное напряжение превышают номинальные значения параметров существующих выпрямительных диодов. В этих случаях задача решается соответственно параллельным и последовательным соединением диодов.

Последовательное включение выпрямительных диодов делается тогда, когда необходимо увеличить суммарное допустимое обратное напряжение, прикладываемое к каждому из них.

Обратные сопротивления выпрямительных диодов имеют большой разброс (различия достигают до одного-двух порядков), поэтому обратное напряжение, приложенное к цепи последовательно соединенных диодов, распределится неравномерно, а пропорционально их обратным сопротивлениям. Наибольшее падение напряжения будет на диоде с большим обратным сопротивлением. Это может привести к электрическому, а затем тепловому пробою р-п перехода этого диода; после этого обратное напряжение распределится между оставшимися диодами. Произойдет пробой следующего диода, у которого обратное сопротивление перехода наибольшее среди оставшихся диодов. И так один за другим диоды выйдут из строя. Чтобы этого не произошло, следует уравнять падения обратных напряжений на диодах последовательной цепочки путем шунтирования их резисторами одинакового сопротивления. Сопротивление шунтирующего резистора подбирается большим, чтобы исключить большие потери мощности на нем. На рис. 4.6 представлена схема однополупериодного выпрямителя из последовательно соединенных диодов, параллельно которым включены одинаковые шунтирующие резисторы. Сопротивление резистора выбирается где -- сопротивление нагрузки выпрямителя. При таком подключении всех п шунтирующих резисторов распределение обратных напряжений на диодах будет одинаковым: , где -- обратное напряжение на входе выпрямителя.

Параллельное включение выпрямительных диодов делается для увеличения допустимых значений выпрямительного тока. Поскольку из-за технологических отклонений имеется значительный разброс значений прямых сопротивлений переходов, то, вставив в каждую из параллельных ветвей по одному балластному резистору , можно уравнять прямые токи в параллельных ветвях, при этом необходимо выполнить условие.

На рис. 4.7 приведена схема однополупериодного выпрямителя с параллельным включением диодов. Чем больше значения резисторов R 6 , тем меньше различий между прямыми токами в параллельных цепях. Однако чрезмерное увеличение значений балластных резисторов приводит к увеличению падения напряжения внутри выпрямителя, что снижает напряжение на выходе выпрямителя и понижает его КПД.

Подобные документы

    Параметры, свойства, характеристики полупроводниковых диодов, тиристоров и транзисторов, выпрямительных диодов. Операционный усилитель, импульсные устройства. Реализация полной системы логических функций с помощью универсальных логических микросхем.

    контрольная работа , добавлен 25.07.2013

    Понятие полупроводникового диода. Вольт-амперные характеристики диодов. Расчет схемы измерительного прибора. Параметры используемых диодов. Основные параметры, устройство и конструкция полупроводниковых диодов. Устройство сплавного и точечного диодов.

    курсовая работа , добавлен 04.05.2011

    Классификация диодов в зависимости от технологии изготовления: плоскостные, точечные, микросплавные, мезадиффузионные, эпитаксально-планарные. Виды диодов по функциональному назначению. Основные параметры, схемы включения и вольт-амперные характеристики.

    курсовая работа , добавлен 22.01.2015

    Понятие диодов как электровакуумных (полупроводниковых) приборов. Устройство диода, его основные свойства. Критерии классификации диодов и их характеристика. Соблюдение правильной полярности при подключении диода в электрическую цепь. Маркировка диодов.

    презентация , добавлен 05.10.2015

    Исследование вольтамперных характеристик диодов, снятие характеристик при различных значениях напряжения. Аппроксимация графиков вольтамперных характеристик диодов, функции первой и второй степени, экспоненты. Исходный код программы и полученные данные.

    лабораторная работа , добавлен 24.07.2012

    Определение максимального и минимального значений выпрямленного сетевого напряжения, диаграммы работы преобразователя. Выбор выпрямительных диодов, трансформатора, транзистора, выпрямителя и элементов узла управления. Расчет демпфирующей цепи и КПД.

    курсовая работа , добавлен 18.02.2010

    Расчёт трансформатора и параметров интегрального стабилизатора напряжения. Принципиальная электрическая схема блока питания. Расчет параметров неуправляемого выпрямителя и сглаживающего фильтра. Подбор выпрямительных диодов, выбор размеров магнитопровода.

    курсовая работа , добавлен 14.12.2013

    Построение схем с диодом из библиотеки SimElectronics и электрическим диодом из библиотеки Simscape и графиков зависимости тока от напряжения. Аппроксимация графиков вольтамперных характеристик диодов различными методами при 2-х разных температурах.

    контрольная работа , добавлен 08.07.2012

    Общие сведения об измерительных источниках оптического излучения, исследование их затухания. Основные требования к техническим характеристикам измерителей оптической мощности. Принцип действия и конструкция лазерных диодов, их сравнительный анализ.

    дипломная работа , добавлен 09.01.2014

    Понятие полупроводниковых приборов, их вольтамперные характеристики. Описание транзисторов, стабилитронов, светодиодов. Рассмотрение типологии предприятий. Изучение техники безопасности работы с электронной техникой, мероприятий по защите от шума.

Называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. О принципе действия и физике проходящего в этом приборе процессе будет рассказано в данном материале.

Теоретическая часть

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах p-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (p) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n - области значительно больше, чем в p-области, а дырок в p - области больше, чем в n - области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n - области и дырок из p - области. В результате рекомбинации на границе p - и n - областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рис. 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью Евн, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.

Рисунок 1. Полупроводниковый диод

При подключении источника э.д.с. к n-p переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ширина запирающего слоя может:

  • Уменьшаться - векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузного тока;
  • Увеличиваться - векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.

Перечисленные свойства p-n перехода используются в полупроводниковых диодах. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область) - базой.

Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе - анодным (рис. 1, б).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления. Вольт - амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рис. 2.


Рисунок 2. ВАХ полупроводникового диода

Вольт - амперная характеристика имеет прямую («1» на рис. 2) и обратную («2» на рис. 2) ветви. При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника Еист направлен противоположно вектору напряженности p-n перехода диода, положительный полюс источника подключен к аноду диода, а отрицательный полюс к катоду диода. При этом суммарный вектор напряженности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в p-n переходе.

В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер, и проходить через p-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в полупроводник и дырок - из p-области в n-полупроводник.

Напряжение Uпор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым.

При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника Еист совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника соединен катодом диода, а положительный полюс источника соединен с анодом диода. Такое включение диода приводит к увеличению потенциального барьера p-n перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из p-области в n-область и дырками из n-области в p-область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током Iобр.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении Uобр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока - участок «3» на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробой - это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рис. 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон - дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в p-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего p-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость p-n перехода составляет несколько десятков пФ.

Практическая часть

Лабораторная работа посвящена исследованию полупроводникового выпрямительного диода. Исследуемый диод FR302 закреплен на стеклотекстолитовой плате вместе с токоограничительным резистором МЛТ-2 43 Ом. Резистор предназначен для ограничения тока при снятии прямой ветви характеристики, т. к. при открытом p-n-переходе сопротивление диода мало.


Проводимость диода исследуется с помощью миллиамперметра (микроамперметра) и вольтметра, по показаниям, которых строится вольтамперная характеристика (ВАХ) диода.


Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема снятия прямой ветви ВАХ диода

Питание установки осуществляется от регулируемого блока питания, который дает постоянный ток напряжением от 0 до 12 В (стабилизированный выход) и постоянный ток напряжением от 0 до 36 В (нестабилизированный выход).


Для снятия прямой ветви характеристики используется миллиамперметр и милливольтметр, т. к. в открытом состоянии падение напряжения на диоде составляет около 1 В, а ток через него достигает 200 мА.


Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема снятия обратной ветви ВАХ диода

Для снятия обратной ветви ВАХ диода обратное напряжение на диоде доводится до 36 В. При таком напряжении обратный ток диода FR302 остается небольшим (единицы-десятки микроампер), поэтому для его измерения в цепь вместо миллиамперметра включают микроамперметр. Сильно увеличивать обратный ток диода крайне нежелательно, так как это может привести к его выходу из строя. К тому же напряжения выше 42 В опасны, и их использование нежелательно.







Материал предоставил для изучения - Denev .

Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковые диоды

Принцип действия диода основан на свойствах p-n-переходов, образуемых в результате полупроводников с различным типом проводимости или контакта полупроводника с металлом (диод Шотки).

Классификация диодов:

1. Выпрямительные

2. Стабилитроны

3. Туннельные

4. Обращённые

5. Варикапы

6. Фотодиоды

7. Светодиоды

8. Диоды Шотки

Делятся на:

Точечные

Плоскостные

Плоскостные диоды обладают большей ёмкостью перехода в схеме замещения.

Так как сопротивление емкости обратно пропорционально частоте напряжения согласно формуле

,

то на высоких частотах сопротивление падает практически до нуля, т.е. переход закорачивается, а следовательно, p-n-переход не работает на этих частотах.

При подаче прямого напряжения (« + » на анод, « - » на катод) на диод до практически 0,3 В ток через диод не протекает. Это напряжение было необходимо для преодоления потенциального барьера контактного перехода. При дальнейшем повышении напряжения ток имеет квадратичную зависимость.

Дальнейшее повышение напряжения может привести к такому росту тока, который превысит максимально допустимое значение, а температура области катода, где происходит рекомбинация электронов и дырок, может превысить максимально допустимое значение. В этом случае происходит необратимый процесс теплового пробоя p-n-перехода.

При подаче обратного напряжения ширина p-n-перехода увеличивается, тем самым ограничивается число инжектируемых электронов из n- в p-область. При достижении U ПР происходит электрический пробой (процесс обратимый). При дальнейшем повышении напряжения электрический пробой переходит в тепловой (необратимый процесс).


Стабилитроны

Принцип действия основан на обратимом электрическом пробое.

При достижении обратного напряжения U ОБР =U СТ происходит электрический пробой p-n-перехода, в результате ток через стабилитрон I C резко возрастает. В результате падение напряжения на R Б увеличивается, а на нагрузке R H остается без изменения.

Стабилитроны серии Д814 имеют напряжение стабилизации от 3 до 20 В.


ЛЕКЦИЯ 3

Туннельный диод

Принцип действия основан на применении так называемого туннельного эффекта.

Используется в быстропереключающих схемах и генераторах. Он обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением на определенном участке ВАХ.

Согласно закону Ома . Если повышается напряжение, то ток должен увеличиваться для любого материала. Но при возникновении туннельного эффекта при повышении напряжения от U min до U max ток уменьшается.

Дифференциальное сопротивление на участке, где проявляется туннельный эффект, имеет отрицательное значение, а соотношение между максимальным и минимальным токами

Для получения генерации синусоидальных колебаний в контур включают туннельный диод. В результате алгебраическая сумма активных сопротивлений в контуре равна 0. Поэтому в контуре возникают незатухающие колебания. Отрицательное дифференциальное сопротивление получается за счёт эффекта туннелирования электронов из n-области в р-область противоположно направлению основного электрического поля, приложенного к туннельному диоду. В результате общее число электронов, прошедших через сечение p-n-перехода за единицу времени с ростом внешнего напряжения уменьшается.


Обращённые диоды

Обращенные диоды используются для выпрямления малых напряжений, т.е. обратная ВАХ является как бы прямой для выпрямительного диода. Обращенный диод при малых напряжениях (до 0,3 В) не пропускает ток в прямом направлении, в то же время в обратном направлении электрический пробой наступает уже при нулевом обратном напряжении.


Варикап

Варикап представляет собой электрически управляемую ёмкость.

Ёмкость, как известно из курса физики, представляет собой зависимость

Т.к. ширина p-n-перехода d зависит от приложенного обратного напряжения U обр, то при постоянстве абсолютной, относительной диэлектрических проницаемостей материала и площади p-n-перехода, ёмкость варикапа зависит только от d.

Под воздействием U обр регулируется расстояние между p и n областями. Получаем зависимость: при повышении обратного напряжения ёмкость вырикапа падает.

В качестве варикапов необходимо применять плоскостные диоды, чтобы увеличить ёмкость. Варикапы используются как подстроечные, электрически управляемые конденсаторы в колебательных контурах. Ёмкость их порядка десятков пикофарад (пФ). Варикапы применяют для автоматической подстройки частоты колебаний для удержания её в заданных пределах.


Фотодиод

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, у которого обратный ток зависит от освещенности катода. ВАХ – на рисунке. Зависимость тока от величины освещенности аналогично зависимости тока от приложенного напряжения для обычного диода (выпрямительного), т.е. воздействие электрического и магнитного полей оказывает аналогичное действие.


Светодиод

Светодиод – полупроводниковый прибор, при протекании прямого тока через который область катода начинает светиться.

При протекании примого тока I через p-n-переход число электронов, находящихся на внешней орбите атома уменьшается за счёт их перехода на внутренние орбиты. Это сопровождается выделением квантов электромагнитного излучения. При подборе соответствующего полупроводникового материала мы можем выделить излучение с определенной длиной волны. На практике есть светодиоды, излучающие в областях, начиная с ультрафиолетовой (l<0,4 мкм) и кончая ближней инфракрасной (ИК) – с l до 2 мкм.

При получении излучения в полупроводниковых лазерах используют также данный эффект, но излучение лазера когерентно и монохроматично.


Диод Шотки

Использует контактные явления между полупроводником и металлом. Эффект Шотки возникает лишь в том случае, когда работа выхода электронов в вакуум из металла больше, чем работа выхода электрона из полупроводника.

При контакте полупроводника с металлом за счёт разности энергии выхода электронов из полупроводника диффундируют в область металла, тем самым создают p-n-переход. За счёт отсутствия неосновных носителей заряда (дырок) в металле переход из открытого в закрытое состояние практически безинерционен (время перехода 1¸2 нс).