Δίοδος πυριτίου. Μεγάλη εγκυκλοπαίδεια πετρελαίου και φυσικού αερίου

Δίοδος ημιαγωγών - μια ηλεκτρική συσκευή μετατροπής με δύο ακροδέκτες και μία διασταύρωση ηλεκτρονίου-οπής p-n.

Δίοδοι ημιαγωγών ταξινομημένο:

από σχέδιο : επίπεδο, σημείο;

ανά τύπο υλικού πηγής: γερμάνιο, πυρίτιο, αρσενίδιο-γάλλιο κ.λπ.

όπως προβλέπεται (Εικ. 1) : α) Διόδους ανορθωτή, υψηλής συχνότητας, μικροκυμάτων, παλμικού και Han. β) δίοδοι zener. γ) κιρσοί? δ) δίοδοι σήραγγας. ε) αντίστροφες δίοδοι. ε) Δίοδοι Schottky. ζ) LED? η) φωτοδίοδοι.

Εικ.1. Συμβατικό γραφικό σύμβολο διόδους ημιαγωγών

Μια σημειακή δίοδος χρησιμοποιεί μια πλάκα γερμανίου ή πυριτίου με ηλεκτρική αγωγιμότητα τύπου n (Εικ. 2), πάχους 0,1...0,6 mm και επιφάνειας 0,5...1,5 mm 2. Ένα ακονισμένο σύρμα (βελόνα) με ακαθαρσίες που εναποτίθεται πάνω του έρχεται σε επαφή με την πλάκα. Σε αυτή την περίπτωση, οι ακαθαρσίες διαχέονται από τη βελόνα στον κύριο ημιαγωγό, οι οποίες δημιουργούν μια περιοχή με διαφορετικό τύπο ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Έτσι, μια μικροσκοπική ημισφαιρική σύνδεση pn σχηματίζεται κοντά στη βελόνα.

Για την κατασκευή σημειακές δίοδοι γερμανίου Ένα σύρμα βολφραμίου επικαλυμμένο με ίνδιο συγκολλάται στην πλάκα γερμανίου. Το ίνδιο είναι ένας αποδέκτης για το γερμάνιο. Η προκύπτουσα περιοχή γερμανίου τύπου p είναι εκπομπός.

Για την κατασκευή διόδους σημείου πυριτίου Χρησιμοποιείται πυρίτιο τύπου n και σύρμα επικαλυμμένο με αλουμίνιο, το οποίο χρησιμεύει ως δέκτης για το πυρίτιο.

Ρύζι. 2 Συσκευή σημειακών διόδων

Στις επίπεδες διόδους, η διασταύρωση pn σχηματίζεται από δύο ημιαγωγούς με διαφορετικούς τύπους ηλεκτρικής αγωγιμότητας και η περιοχή διασταύρωσης είναι διάφορα είδηΟι δίοδοι κυμαίνονται από εκατοστά του τετραγωνικού χιλιοστού έως αρκετές δεκάδες τετραγωνικά εκατοστά (δίοδοι ισχύος).

Οι επίπεδες δίοδοι κατασκευάζονται με μεθόδους σύντηξης (σύντηξης) ή διάχυσης (Εικ. 3).

Ρύζι. 3 Σχεδιασμός επίπεδων διόδων κατασκευής

α - μέθοδος κράματος. β – μέθοδος διάχυσης

Μια σταγόνα ινδίου συντήκεται σε μια πλάκα γερμανίου τύπου n σε θερμοκρασία περίπου 500°C (Εικ. 3, α), η οποία, συντηγμένη με γερμάνιο, σχηματίζει ένα στρώμα γερμανίου τύπου p. Η περιοχή με ηλεκτρική αγωγιμότητα τύπου p έχει υψηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών από την κύρια πλάκα και επομένως είναι εκπομπός. Τα σύρματα μολύβδου, συνήθως κατασκευασμένα από νικέλιο, συγκολλούνται στην κύρια πλάκα γερμανίου και στην πλάκα ινδίου. Εάν το γερμάνιο τύπου p λαμβάνεται ως πρώτη ύλη, τότε τήκεται αντιμόνιο σε αυτό και στη συνέχεια λαμβάνεται μια περιοχή εκπομπής τύπου n.

Μέθοδος διάχυσης για την κατασκευή σελ -n- μετάβασηβασίζεται στο γεγονός ότι τα άτομα ακαθαρσίας διαχέονται στον κύριο ημιαγωγό (Εικ. 3, β). Για τη δημιουργία ενός στρώματος p, χρησιμοποιείται η διάχυση ενός στοιχείου δέκτη (βόριο ή αλουμίνιο για το πυρίτιο, ίνδιο για το γερμάνιο) μέσω της επιφάνειας του υλικού πηγής.

Οι κύριες παράμετροι του ημιαγωγού οι δίοδοι είναι (Εικ. 4):

Ρύζι. 4 χαρακτηριστικά I-V διόδου ημιαγωγών και οι κύριες παράμετροί της

— Συνεχές ρεύμα διόδου Ipr, το οποίο κανονικοποιείται σε μια συγκεκριμένη τάση προς τα εμπρός (συνήθως Upr = 1...2V).

— Μέγιστο επιτρεπόμενο προς τα εμπρός ρεύμα Ipr.max της διόδου.

— Μπροστινή πτώση τάσης κατά μήκος της διόδου στο μέγιστο ρεύμα προς τα εμπρός Ανώτατο μέγιστο.

— Μέγιστο επιτρεπόμενο αντίστροφη τάση Uob.max, στο οποίο η δίοδος μπορεί να λειτουργεί κανονικά για μεγάλο χρονικό διάστημα

Usamp.max = ⅔ ∙ Uel.sample;

— Αντίστροφο ρεύμα Irev.max στη μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση Urev.max.

— Εμπρόσθια και αντίστροφη στατική αντίσταση της διόδου σε δεδομένες τάσεις προς τα εμπρός και προς τα πίσω:

— Η μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς Pmax που διαχέεται από τη δίοδο, στην οποία διασφαλίζεται η καθορισμένη αξιοπιστία της διόδου.

I-V χαρακτηριστική ανάλυση δείχνει η δίοδος γερμανίου και πυριτίου (Εικ. 5).

Ρύζι. 5. Εξάρτηση του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της διόδου από τη θερμοκρασία:

α – για δίοδο γερμανίου. β – για δίοδο πυριτίου

1. Πτώση τάσης κατά τη διέλευση συνεχές ρεύμα για τις διόδους γερμανίου είναι ΔUpr = (0,3...0,6)V, για τις διόδους πυριτίου - ΔUpr = (0,8...1,2)V.
2. Όταν εφαρμόζεται σε δίοδο ημιαγωγών αντίστροφη τάση Ένα ασήμαντο αντίστροφο ρεύμα εμφανίζεται σε αυτό λόγω της κίνησης των φορέων μειοψηφίας φορτίου μέσω της διασταύρωσης p-n Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία της σύνδεσης p-n, ο αριθμός των φορέων μειοψηφίας φορτίου αυξάνεται λόγω της μετάβασης ορισμένων ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στην αγωγιμότητα. ζώνη και ο σχηματισμός ζευγών φορέων φορτίου ηλεκτρονίου-οπής. Επομένως, το αντίστροφο ρεύμα της διόδου αυξάνεται.
3. Όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση αρκετών εκατοντάδων βολτ στη δίοδο, το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στο στρώμα μπλοκαρίσματος γίνεται τόσο ισχυρό που μπορεί να τραβήξει ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας (φαινόμενο Zener). Σε αυτή την περίπτωση, το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται απότομα, γεγονός που προκαλεί θέρμανση της διόδου, περαιτέρω αύξηση του ρεύματος και, τέλος, θερμική διάσπαση (καταστροφή) της διασταύρωσης p-n. Οι περισσότερες δίοδοι μπορούν να λειτουργούν αξιόπιστα σε αντίστροφες τάσεις που δεν υπερβαίνουν το (0,7...0,8) Uprob.
4. Η επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση των διόδων γερμανίου φτάνει - 100...400V, και για διόδους πυριτίου - 1000...1500V.
5. Για να διατηρηθεί η απόδοση μιας διόδου γερμανίου, η θερμοκρασία της δεν πρέπει να υπερβαίνει τους +85°C. Οι δίοδοι πυριτίου μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασίες έως +150°C

1. Υπολογισμός κυκλωμάτων με διόδους

Το κύριο χαρακτηριστικό μιας διόδου είναι το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της (χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ), ο τύπος του οποίου συμπίπτει με το χαρακτηριστικό της διασταύρωσης p-n. Εφόσον το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης δεν είναι γραμμικό, προκύπτει πρόβλημα υπολογισμού ηλεκτρικά κυκλώματα, που περιλαμβάνει μια δίοδο. Ο υπολογισμός, ο οποίος συνίσταται στον προσδιορισμό του ρεύματος που διέρχεται από τη δίοδο, πραγματοποιείται με τρεις μεθόδους:

1. Γραφική μέθοδος.Σε αυτή την περίπτωση, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε ένα γράφημα του ρεύματος μέσω της διόδου έναντι της πτώσης τάσης προς τα εμπρός κατά μήκος της διόδου. Παραμέληση των αντίστροφων ρευμάτων των κόμβων p-n. Ας είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί το ρεύμα στο κύκλωμα που προτείνεται στο σχήμα 6 (α).

Ρύζι. 6: α - ενεργοποίηση της διόδου. b-χαρακτηριστικό τάσης της διόδου

Για το προτεινόμενο σχήμα, ισχύει η ακόλουθη έκφραση:

Από αυτή την έκφραση εκφράζουμε την τάση στη δίοδο και την τιμή ρεύματος:

Σημειώνεται ότι η πρώτη ισότητα ισχύει στο σημείο τομής δύο ευθειών:

φά 1 (I D) = U D — χαρακτηριστικό ρεύμα-τάση της διόδου.

φά 2 (I) =E - I R1 - μια ευθεία γραμμή που συνδέει το σημείο Ε στον άξονα τάσης με το σημείο E/R1 στον άξονα ρεύματος (Εικ. 6, β). Το μόνο σημείο τομής είναι η λύση του προβλήματος και καθορίζει την τιμή του ρεύματος σταθερής κατάστασης στο κύκλωμα I D και την τιμή της πτώσης τάσης στη δίοδο σε αυτό το ρεύμα U D .

Αν και θεωρητικά η γραφική μέθοδος μπορεί να παρέχει υψηλή ακρίβεια, στην πράξη είναι άβολη στη χρήση και η ακρίβεια των υπολογισμών θα είναι χαμηλή, καθώς οι δίοδοι ακόμη και του ίδιου τύπου έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης.

Η χρήση ενός αναλυτικού μοντέλου διόδου για λειτουργικούς υπολογισμούς είναι πρακτικά αδύνατη.

1. Εφαρμογή των απλούστερων μοντέλων διόδων. Η μέθοδος βασίζεται στη χρήση τμηματικής γραμμικής προσέγγισης του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της διόδου (Εικ. 7). Το αποτέλεσμα του υπολογισμού της τιμής ρεύματος θα είναι πιο ακριβές, όσο περισσότερο διαφέρει η εφαρμοζόμενη τάση τροφοδοσίας ολόκληρου του κυκλώματος Ε από την άμεση πτώση τάσης στη δίοδο. Αυτή η μέθοδος έχει πρακτικό ενδιαφέρον. Ας εξετάσουμε δύο περιπτώσεις:
2. Η κατά προσέγγιση τιμή του μπροστινού ρεύματος λειτουργίας μέσω της διόδου είναι γνωστή. Τάση τροφοδοσίας κυκλώματος Ε ελαφρώς μεγαλύτερη από την πτώση τάσης προς τα εμπρός στη δίοδο U d (E>U d).

Τραβιέται μια εφαπτομένη στο σημείο «a» με την τιμή λειτουργίας του ρεύματος στο χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης και η άμεσα πολωμένη δίοδος αντικαθίσταται από μια πηγή ηλεκτροκινητικής δύναμης (-E0) και μια αντίσταση με αντίσταση R d.p. ΣύμβολοΗ δίοδος και το ισοδύναμό της κύκλωμα υπό μπροστινή πόλωση φαίνεται στο Σχήμα 8 (α). Η αντίσταση αυτής της αντίστασης καθορίζεται από την αναλογία της αύξησης της πτώσης τάσης κατά μήκος της διόδου στο σημείο λειτουργίας προς την αντίστοιχη αύξηση του ρεύματος μέσω της διόδου.

Πηγή Emf κατευθύνεται ενάντια στο μπροστινό ρεύμα της διόδου, δηλαδή εξουδετερώνει το ρεύμα.

Εικ.7 Τμηματική γραμμική προσέγγιση του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης διόδου

1. Εάν η τάση τροφοδοσίας κυκλώματος Ε σημαντικά μεγαλύτερη από την εμπρόσθια πτώση τάσης κατά μήκος της διόδου (E>>U d), το μοντέλο της διόδου μπορεί να απλοποιηθεί και να μειωθεί σε μια πηγή emf. με τάση U d.pr = (0,6-0,8) V, εάν η δίοδος είναι πυρίτιο ή με τάση U d pr = (0,2-0,4) V, εάν η δίοδος είναι γερμάνιο. Το σύμβολο της διόδου και το ισοδύναμο κύκλωμά της με πόλωση προς τα εμπρός σε αυτή την περίπτωση φαίνονται στο Σχήμα 8 (β).

Ρύζι. 8 Σύμβολο της διόδου και του ισοδύναμου κυκλώματος της για το μπροστινό ρεύμα: a - E>U d, b - E>>U d

Με θερμοκρασία, μπροστινή πτώση τάσης U d.pr ενεργοποιημένη р-n διασταύρωσημειώνεται κατά 2-3 mV με αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10C. Εάν είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη το αντίστροφο ρεύμα μέσω της διόδου, τότε θα πρέπει να θυμόμαστε ότι με κάθε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 0 C, το αντίστροφο ρεύμα μιας διόδου γερμανίου διπλασιάζεται για το πυρίτιο, παρατηρείται διπλασιασμός του ρεύματος κάθε 7 0 C αύξηση της θερμοκρασίας.

Η βάση μιας διόδου ημιαγωγών είναι r-n-μετάβαση που καθορίζει τις ιδιότητες, τα χαρακτηριστικά και τις παραμέτρους του. Ανάλογα με σχεδιαστικά χαρακτηριστικά r-n-διασταύρωση και δίοδος γενικά, οι δίοδοι ημιαγωγών κατασκευάζονται τόσο σε διακριτές όσο και σε ενσωματωμένες εκδόσεις. Σύμφωνα με τον σκοπό τους, οι δίοδοι ημιαγωγών χωρίζονται σε ανορθωτές (ως τύπος ανορθωτή - ισχύς), παλμικούς, υψηλής συχνότητας και υπερυψηλές συχνότητες, δίοδοι zener, μεταγωγή τριών επιπέδων, τούνελ, varicaps, φωτογραφία και LED. Υποθετικός γραφικά σύμβολαΟι δίοδοι φαίνονται στο Σχ. 1.10.

Ρύζι. 1.10 Γραφικά σύμβολα: α – διορθωτικά και καθολικά.
β – δίοδοι zener. γ – δίοδος zener διπλής όψης. d – δίοδος σήραγγας.
d – αντίστροφες δίοδοι. e – varicap; g – φωτοδίοδοι. h – LED

Ανάλογα με την πηγή ημιαγωγού υλικού, οι δίοδοι χωρίζονται σε γερμάνιο και πυρίτιο. Δίοδοι σήραγγαςκατασκευάζονται επίσης με βάση το αρσενίδιο του γαλλίου GaAsκαι αντιμονιούχο ίνδιο InSb. Οι δίοδοι γερμανίου λειτουργούν σε θερμοκρασίες όχι υψηλότερες από +80 °C και οι δίοδοι πυριτίου - έως +140 °C.

Με βάση το σχεδιασμό και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά, οι δίοδοι χωρίζονται σε επίπεδες και σημειακές. Οι πιο συνηθισμένες είναι οι επίπεδες δίοδοι κραμάτων, η χρήση των οποίων είναι δύσκολη μόνο σε υψηλότερες συχνότητες. Το πλεονέκτημα των σημειακών διόδων είναι η χαμηλή χωρητικότητα της διασταύρωσης p-n, η οποία τους καθιστά δυνατή τη λειτουργία σε υψηλές εξαιρετικά υψηλές συχνότητες.

Ανορθωτικές δίοδοι σχεδιασμένο για ίσιωμα ACχαμηλή συχνότητα (50-100.000 Hz). Επί του παρόντος, διόδους ανορθωτή πυριτίου με r-n- επίπεδους τύπους κόμβους, που έχουν πολλαπλάσια αντίστροφα ρεύματα και υψηλότερες αντίστροφες τάσεις σε σύγκριση με τους γερμανίου.

Το κύριο στοιχείο ανορθωτική δίοδοςείναι μια γκοφρέτα ημιαγωγών στην οποία α r-n-μετάβαση. Πυριτικός r-n-η ένωση σχηματίζεται όταν ο αρχικός κρύσταλλος πυριτίου τύπου n συντήκεται με βόριο ή αλουμίνιο. Για την προστασία από εξωτερικές επιδράσεις, καθώς και για την εξασφάλιση καλής απαγωγής θερμότητας, μια πλάκα ημιαγωγών με r-n-μετάβαση και δύο εξωτερικές ακίδες από τα στρώματα σελΚαι nβρίσκεται στο σώμα

Οι δίοδοι ανορθωτή χωρίζονται σε μικρές διόδους ( λεωφ < 0,3 А), средней (0,3 А < λεωφ < 10 А) и большой (I pr.sr.> 10 Α) ισχύς. Για να αυξηθεί η επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση, παράγονται πόλοι υψηλής τάσης στους οποίους συνδέονται πολλές δίοδοι σε σειρά. Επιπλέον, οι μονάδες ανορθωτή παράγονται μαζικά, οι οποίες περιέχουν διόδους συνδεδεμένες τόσο σε σειρά όσο και παράλληλες (για την αύξηση του ρεύματος προς τα εμπρός).

Ρύζι. 1.11 Σχεδιασμός (α) και χαρακτηριστικό ρεύμα-τάσης (β) σημειακής διόδου

Δίοδοι υψηλής συχνότητας είναι συσκευές για καθολική χρήση. Μπορούν να λειτουργήσουν σε ανορθωτές εναλλασσόμενου ρεύματος σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων (έως αρκετές εκατοντάδες megahertz), καθώς και σε διαμορφωτές, ανιχνευτές και άλλους μη γραμμικούς μετατροπείς ηλεκτρικά σήματα. Οι δίοδοι υψηλής συχνότητας περιέχουν συνήθως ένα σημείο r-n-μετάβαση και γι' αυτό ονομάζονται σημειακές μεταβάσεις. Ο σχεδιασμός ενός τυπικού αντιπροσώπου σημειακών διόδων (D106A) φαίνεται στο Σχ. 1.11, ΕΝΑ, και το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης του φαίνεται στο Σχ. 1.11, σι.

Ο μπροστινός κλάδος του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης δεν διαφέρει από τον αντίστοιχο κλάδο του χαρακτηριστικού μιας επίπεδης διόδου, κάτι που δεν μπορεί να ειπωθεί κατά τη σύγκριση των αντίστροφων διακλαδώσεων. Από περιοχή r-n-η μετάβαση είναι μικρή, τότε το αντίστροφο ρεύμα είναι μικρό, αλλά η περιοχή κορεσμού πρακτικά δεν εκφράζεται και λόγω των ρευμάτων διαρροής και της παραγωγής θερμότητας, το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται ομοιόμορφα. Οι τιμές των συνεχών προς τα εμπρός ρευμάτων των σημειακών διόδων δεν υπερβαίνουν τις δεκάδες milliamps και οι τιμές των επιτρεπόμενων αντίστροφων τάσεων είναι 100 V. Μικρή τιμή στατικής χωρητικότητας ΜΕ d μεταξύ των ακροδεκτών των σημειακών διόδων (μικρή περιοχή διασταύρωσης) επιτρέπει τη χρήση τους σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Σύμφωνα με τις ιδιότητες συχνότητάς τους, οι σημειακές δίοδοι χωρίζονται σε δύο υποομάδες: HF ( f max? 300 MHz) και φούρνο μικροκυμάτων (στ παπαρούνα ΜΕΜε; 300 MHz). Εκτός από τη στατική χωρητικότητα

Οι δίοδοι d point χαρακτηρίζονται από τις ίδιες παραμέτρους με τους ανορθωτές. Παλμικές δίοδοι

είναι ένας τύπος διόδων υψηλής συχνότητας και προορίζονται για χρήση ως βασικά στοιχεία σε κυκλώματα παλμών υψηλής ταχύτητας. Εκτός από τις ιδιότητες υψηλής συχνότητας, οι παλμικές δίοδοι πρέπει να έχουν ελάχιστη διάρκεια μεταβατικών διεργασιών όταν ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται. Κατασκευάζονται σημειακές και επίπεδες δίοδοι. Η γενική σχεδίαση των παλμικών διόδων, καθώς και τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης τους, είναι σχεδόν ίδια με εκείνα των διόδων υψηλής συχνότητας. Όπως και οι ανορθωτές, οι παλμικές δίοδοι χαρακτηρίζονται από στατικές παραμέτρους, καθώς και από παραμέτρους περιοριστικού τρόπου λειτουργίας. Οι κύριες είναι οι παράμετροι ώθησης:Και S dνα αποκαταστήσει

– χρόνος για την αποκατάσταση των ιδιοτήτων μπλοκαρίσματος της διόδου μετά την αφαίρεση της τάσης προς τα εμπρός. Δίοδοι Zener – πρόκειται για επίπεδες διόδους πυριτίου που έχουν σχεδιαστεί για να σταθεροποιούν τη στάθμη DC τάση στο κύκλωμα όταν το ρεύμα διαμέσου της διόδου αλλάζει εντός ορισμένων ορίων. Αυτή είναι μια δίοδος ημιαγωγών που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε λειτουργία ηλεκτρικής βλάβης. Όπως σημειώνεται στην Ενότητα. 1.2 εάν η αντίστροφη τάση υπερβαίνει την τιμή , U arr. pr r-nτότε συμβαίνει μια κατάρρευση χιονοστιβάδας

-μετάβαση, ΕΝΑστην οποία το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται απότομα με σχεδόν σταθερή αντίστροφη τάση. Μια τέτοια τομή του χαρακτηριστικού (ενότητα αβ, βλ. Εικ. 1.8, σι) χρησιμοποιήστε διόδους zener, η κανονική συμπερίληψη των οποίων στο κύκλωμα πηγής τάσης DC είναι αντίστροφη (βλ. Εικ. 1.8, ). Εάν το αντίστροφο ρεύμα μέσω της διόδου zener δεν υπερβαίνει μια ορισμένη τιμή, τότε η κατάσταση ηλεκτρικής βλάβης δεν οδηγεί σε ζημιά στη δίοδο και μπορεί να αναπαραχθεί για δεκάδες και εκατοντάδες χιλιάδες ώρες. Το πυρίτιο χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για την κατασκευή διόδων zener, καθώς τα αντίστροφα ρεύματα του πυριτίου p-n- οι μεταβάσεις είναι μικρές και επομένως δεν υπάρχουν προϋποθέσεις για αυτοθέρμανση του ημιαγωγού και θερμική διάσπαση r-n-μετάβαση.

Οι κύριες παράμετροι των διόδων zener περιλαμβάνουν την τάση σταθεροποίησης
U st– τάση στη δίοδο zener στην καθορισμένη ονομαστικό ρεύμασταθεροποίηση I st.. nom (βλ. Εικ. 1.8, ΕΝΑ). Εκτός I Τέχνη. ονομτο ελάχιστο I Τέχνη. ελάχκαι μέγιστο I Τέχνη. Μέγτρέχουσες τιμές στο τμήμα σταθεροποίησης. Το επίπεδο της τάσης σταθεροποίησης καθορίζεται από το μέγεθος της τάσης διάσπασης στο κύκλωμα όταν το ρεύμα διαμέσου της διόδου αλλάζει εντός ορισμένων ορίων. Αυτή είναι μια δίοδος ημιαγωγών που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε λειτουργία ηλεκτρικής βλάβης. Όπως σημειώνεται στην Ενότητα. 1.2 εάν η αντίστροφη τάση υπερβαίνει την τιμή, το οποίο με τη σειρά του εξαρτάται από το πλάτος r-n-μετάβαση, και επομένως ο βαθμός ντόπινγκ του πυριτίου με μια ακαθαρσία. Για την παραγωγή διόδων zener χαμηλής τάσης, χρησιμοποιείται πυρίτιο με μεγάλη ποσότητα ντοπαρίσματος. Επομένως, για διόδους zener με τάση σταθεροποίησης<5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Σχέδιο στο Σχ. 1.8, σιεξηγεί την αρχή λειτουργίας του απλούστερου σταθεροποιητή σταθερής τάσης. Αύξηση τάσης εισόδου εσύ μέσαοδηγεί σε αύξηση του ρεύματος μέσω της διόδου zener και της αντίστασης R. Η υπερβολική τάση εισόδου κατανέμεται σε R,και την τάση εσύ έξωπαραμένει ουσιαστικά αμετάβλητο.

Varicap είναι μια ειδικά σχεδιασμένη δίοδος ημιαγωγών που χρησιμοποιείται ως μεταβλητός πυκνωτής. Η τιμή της χωρητικότητας varicap καθορίζεται από την χωρητικότητά του r-n-μετάβαση και αλλαγές όταν αλλάζει η τάση που εφαρμόζεται στη διασταύρωση (δίοδος).

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω (βλ. Κεφάλαιο 1.2), μεροληπτικό προς τα εμπρός r-n-η μετάβαση χαρακτηρίζεται, ειδικότερα, από χωρητικότητα διάχυσης και η αντίστροφη πόλωση χαρακτηρίζεται από χωρητικότητα φραγμού. Τα Varicaps χρησιμοποιούν χωρητικότητα φραγμού (έκφραση 1.12), η οποία χαρακτηρίζεται από χαμηλό συντελεστή θερμοκρασίας, χαμηλό επίπεδο αυτοθορύβου και ασθενή εξάρτηση από τη συχνότητα. Επομένως, σε κατάσταση λειτουργίας για να

Εφαρμόζεται εξωτερική τάση αποκλεισμού στο varicap. Επειδή το πάχος σελ-n-η μετάβαση εξαρτάται από το μέγεθος της εφαρμοζόμενης εξωτερικής τάσης U, τότε αλλάζοντας το τελευταίο, μπορείτε να προσαρμόσετε την τιμή της χωρητικότητας. Αυτό χρησιμοποιείται, ειδικότερα, για συντονισμό στο επιθυμητό κανάλι σε τηλεοράσεις και ραδιόφωνα.

Οι κύριες παράμετροι των varicaps είναι: ονομαστική χωρητικότητα Με αρ., που προσδιορίζεται στην ονομαστική τάση πόλωσης ( U ονομ= 4 V), μέγιστο Με παπαρούνα s και ελάχιστο C minχωρητικότητα, αντίστοιχα, στη μέγιστη και ελάχιστη τάση πόλωσης (ή συντελεστή επικάλυψης χωρητικότητας K s=C max / C min), παράγοντας ποιότητας Q, και επίσης U rev.max.

Φωτοδίοδος – μια φωτοβολταϊκή συσκευή ημιαγωγών με εσωτερικό φωτοεφέ που αντανακλά τη διαδικασία μετατροπής της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Το εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι αυτό υπό την επίδραση της ενέργειας ακτινοβολίας φωτός στην περιοχή σελ-n-συμβαίνει μετάβαση ο ιονισμός των ατόμων της κύριας ουσίας και της ακαθαρσίας, ως αποτέλεσμα του οποίου δημιουργούνται ζεύγη φορέων φορτίου – ηλεκτρόνιο και οπή. Σε εξωτερικό κύκλωμα συνδεδεμένο με r-n-μετάβαση, προκύπτει ένα ρεύμα που προκαλείται από την κίνηση αυτών των φορέων (φωτορεύματα).

Οι φωτοδίοδοι μπορούν να λειτουργήσουν σε δύο τρόπους: βαλβίδα (φωτογεννήτρια) και φωτοδίοδος (φωτομετατροπέας). Σε αντίθεση με τη λειτουργία βαλβίδας, η λειτουργία φωτοδιόδου απαιτεί την παρουσία εξωτερικής πηγής ισχύος (πόλωση).

Όταν δύο ημιαγωγοί έρχονται σε επαφή n- Και r-τύπους, δημιουργείται διαφορά δυναμικού επαφής στο κοινό τους όριο . Σε περίπτωση απουσίας φωτεινής ροής και φορτίου, η συνιστώσα διάχυσης του ρεύματος r-n-η διασταύρωση εξισορροπείται από τη συνιστώσα μετατόπισης του ρεύματος, επομένως το συνολικό ρεύμα μέσω της διασταύρωσης είναι μηδέν.

Όταν φωτίζετε έναν ημιαγωγό στην περιοχή r-n-μετάβαση, δημιουργούνται επιπλέον ζεύγη φορέων φόρτισης. Πεδίο χρέωσης χώρου r-n-η μετάβαση «χωρίζει» αυτά τα ζεύγη: οι τρύπες παρασύρονται μέσα r-περιοχή και ηλεκτρόνια – μέσα n-περιοχή, δηλ. συμβαίνει η μετακίνηση επιπρόσθετων ανηλίκων μεταφορέων. Ως αποτέλεσμα, οι πυκνότητες των συνιστωσών του παρασυρόμενου ρεύματος, που καθορίζονται από τις ισότητες (1,8), (1,9), αυξάνονται και κατά συνέπεια, το ρεύμα μετατόπισης λαμβάνει μια ορισμένη αύξηση, που ονομάζεται φωτορεύμα I f. Στην περίπτωση αυτή, το συνολικό ρεύμα μετατόπισης είναι, σύμφωνα με την έκφραση (1.10), ένα θερμικό ρεύμα εγώο, που προκαλείται από μειοψηφικούς φορείς απουσίας φωτισμού. Δεδομένου ότι στην περιοχή των ημιαγωγών σελ-τύπου υπερβολικοί φορείς με θετικό φορτίο συσσωρεύονται, και στην περιοχή ημιαγωγών n-τύπου - με αρνητικό φορτίο, τότε εμφανίζεται μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των εξωτερικών ηλεκτροδίων, που είναι ένα photoEMF E f. Αυτό το EMF μειώνει το ύψος του φραγμού δυναμικού, προκαλώντας έτσι αύξηση της συνιστώσας διάχυσης του ρεύματος. Το photoEMF δεν υπερβαίνει μια τιμή αριθμητικά ίση με το διάκενο ζώνης του ημιαγωγού. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται, ειδικότερα, σε ηλιακές μπαταρίες.

LED (ηλεκτροφωταύγεια δίοδοι) μετατρέπουν την ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου σε μη θερμική οπτική ακτινοβολία που ονομάζεται ηλεκτροφωταύγεια. Η βάση του LED είναι r-n- μια διασταύρωση που πολώνεται από μια εξωτερική πηγή τάσης στην κατεύθυνση αγωγής. Με μια τέτοια μετατόπιση, τα ηλεκτρόνια από n- οι περιοχές του ημιαγωγού εγχέονται σε r-περιοχή όπου είναι φορείς μειοψηφίας, και τρύπες – προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στη συνέχεια, εμφανίζεται ανασυνδυασμός περίσσειας μειοψηφικών φορέων με ηλεκτρικά φορτία αντίθετου πρόσημου. Ο ανασυνδυασμός ενός ηλεκτρονίου και μιας οπής αντιστοιχεί στη μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από ένα ενεργειακό επίπεδο Αυτήνστην ενεργειακή κατάσταση του επιπέδου E yμε λιγότερη ενέργεια.

Στο γερμάνιο και το πυρίτιο, το διάκενο ζώνης είναι σχετικά μικρό και επομένως η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τον ανασυνδυασμό μεταφέρεται κυρίως στο κρυσταλλικό πλέγμα με τη μορφή θερμότητας. Διαδικασίες ανασυνδυασμού στο αρσενίδιο του γαλλίου ( GaAs), φωσφίδιο γαλλίου ( Χάσμα), καρβίδιο του πυριτίου ( Ούτω), έχοντας μεγάλο κενό ζώνης (για παράδειγμα, για GaAsΕΝΑ;= 1,38 eV), συνοδεύονται από την απελευθέρωση ενέργειας με τη μορφή κβαντών φωτός, τα οποία απορροφώνται εν μέρει από τον όγκο του ημιαγωγού, και εν μέρει εκπέμπονται στον περιβάλλοντα χώρο. Επομένως, η εξωτερική κβαντική έξοδος, που καταγράφεται οπτικά, είναι πάντα μικρότερη από την εσωτερική.

Τα κύρια χαρακτηριστικά των LED είναι το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης, καθώς και η εξάρτηση της ισχύος και της φωτεινότητας της ακτινοβολίας από το μέγεθος του μπροστινού ρεύματος. Η ισχύς και η φωτεινότητα της ακτινοβολίας καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από το σχεδιασμό του LED. Όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που μπορεί να περάσει μέσα από τη δίοδο με αποδεκτή θέρμανση, τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς και η φωτεινότητα της ακτινοβολίας

Οι κύριες παράμετροι του LED περιλαμβάνουν την ισχύ εκπομπής R, μήκος κύματος εκπεμπόμενου φωτός μεγάλοκαι αποτελεσματικότητα. Το μήκος του φωτεινού κύματος, που καθορίζει το χρώμα της λάμψης, εξαρτάται από τη διαφορά ενέργειας μεταξύ της οποίας μεταφέρονται τα ηλεκτρόνια.

Τα LED χρησιμοποιούνται για την ένδειξη και την εμφάνιση πληροφοριών σε μικροηλεκτρονικές συσκευές. Οι ελεγχόμενες λυχνίες LED (με ένα κινούμενο περίγραμμα του φωτεινού πεδίου) χρησιμοποιούνται για την αντικατάσταση οργάνων δείκτη ως ανάλογα οπτικών ενδείξεων για συντονισμό ραδιοεξοπλισμού. Οι λυχνίες LED με πολλά φωτεινά πεδία σάς επιτρέπουν να αναπαράγετε αριθμούς από το 0 έως το 9. Επιπλέον, τα LED χρησιμοποιούνται ως πηγές ακτινοβολίας σε οπτικούς συζεύκτες - συσκευές της ταχέως αναπτυσσόμενης οπτοηλεκτρονικής.

Δίοδος σήραγγας είναι μια δίοδος ημιαγωγών που χρησιμοποιεί το φαινόμενο της διάσπασης της σήραγγας όταν ενεργοποιείται προς τα εμπρός. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα μιας διόδου σήραγγας είναι η παρουσία στον μπροστινό κλάδο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης ενός τμήματος με αρνητική διαφορική αντίσταση.

Για παράδειγμα στο Σχ. Το σχήμα 1.12 δείχνει τον άμεσο κλάδο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της διόδου ενισχυτή σήραγγας γερμανίου 1I104A ( I πρ.μέγ= 1 mA – σταθερό μπροστινό ρεύμα, U rev.max= 20 mV), σχεδιασμένο για ενίσχυση στην περιοχή κυμάτων 2...10 cm (αυτό αντιστοιχεί σε συχνότητα μεγαλύτερη από 1 GHz).

Η συνολική χωρητικότητα της διόδου στο ελάχιστο σημείο του χαρακτηριστικού είναι 0,8...1,9 pF. Οι δίοδοι σήραγγας μπορούν να λειτουργήσουν σε πολύ υψηλές συχνότητες – περισσότερο από 1 GHz. Η παρουσία ενός τμήματος με αρνητική διαφορική αντίσταση στο χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης καθιστά δυνατή τη χρήση διόδων σήραγγας ως ενισχυτικού στοιχείου και ως κύριο στοιχείο των γεννητριών. Επί του παρόντος, οι δίοδοι σήραγγας χρησιμοποιούνται ακριβώς με αυτήν την χωρητικότητα στην περιοχή υπερυψηλών συχνοτήτων.

Δίοδος είναι μια ηλεκτρική διάταξη ημιαγωγών μετατροπής (SC) με μία ηλεκτρική διασταύρωση και δύο ακροδέκτες (Εικ. 3.1).

Ρύζι. 3.1. Συσκευή διόδου ημιαγωγών

Η βάση Β και ο πομπός Ε, χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια βάσης BE και εκπομπού EE που παρέχουν ωμικές επαφές με τις περιοχές n και p, συνδέονται στους μεταλλικούς ακροδέκτες Β, μέσω των οποίων η δίοδος συνδέεται στο εξωτερικό κύκλωμα.

Η αρχή λειτουργίας των περισσότερων διόδων βασίζεται στη χρήση φυσικών φαινομένων στην ηλεκτρική σύνδεση, όπως η ασυμμετρία του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης, η διάσπαση της διασταύρωσης ηλεκτρονίου-οπής, η εξάρτηση της χωρητικότητας φραγμού από την τάση κ.λπ.

Υπάρχουν δίοδοι:

ανάλογα με το σκοπό :

• διόρθωση?
• Δίοδοι Zener;
• varicaps?
• σήραγγα;
• παλμός, κλπ.?

ανάλογα με τις πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται :

• γερμάνιο;
• πυρίτιο;
• από αρσενίδιο του γαλλίου?

σύμφωνα με την τεχνολογία κατασκευής :

• κράμα;
• διάχυση;
• επίπεδο?

κατά εύρος συχνοτήτων :

• χαμηλή συχνότητα?
• υψηλή συχνότητα?
• Δίοδοι μικροκυμάτων (δίοδοι εξαιρετικά υψηλής συχνότητας).

ανά τύπο σύνδεσης p-n :

• επίπεδο?
• σημείο.

Επίπεδη ονομάζεται διασταύρωση p-n, οι γραμμικές διαστάσεις της οποίας, καθορίζοντας το εμβαδόν της, είναι σημαντικά μεγαλύτερες από το πάχος. Οι σημειακές μεταβάσεις περιλαμβάνουν μεταβάσεις των οποίων οι διαστάσεις, οι οποίες καθορίζουν την περιοχή τους, είναι μικρότερες από το πάχος της περιοχής φορτίου χώρου.

Οι επίπεδες δίοδοι χαμηλής και μέσης ισχύος κατασκευάζονται συνήθως με διασταύρωση κράματος p-n. Μια κραματοποιημένη ένωση p-n σε διόδους γερμανίου (Εικ. 3.2) λαμβάνεται με τη σύντηξη ενός δισκίου ενός στοιχείου δέκτη ακαθαρσιών (ίνδιο) σε έναν κρύσταλλο γερμανίου τύπου n. Σε αυτή την περίπτωση, το λιωμένο ίνδιο διαχέεται εν μέρει στο γερμάνιο, προσδίδοντας αγωγιμότητα οπής στην κοντινή περιοχή του κρυστάλλου γερμανίου. Η περιοχή με αγωγιμότητα οπών (τύπου p) έχει πολύ χαμηλή ειδική αντίσταση και είναι εκπομπός σε σχέση με τον υψηλότερης αντίστασης κρύσταλλο ημιαγωγού τύπου n - τη βάση της διόδου. Η δομή μιας επίπεδης διόδου γερμανίου φαίνεται στο Σχ. 3.2. Οι επίπεδες δίοδοι πυριτίου κατασκευάζονται με τη σύντηξη αλουμινίου σε κρύσταλλο πυριτίου. Οι δίοδοι πυριτίου και γερμανίου στεγάζονται σε μεταλλικό συγκολλημένο περίβλημα με γυάλινους μονωτές και εύκαμπτους αγωγούς.

Σε επίπεδες διόδους υψηλής ισχύος, η σύνδεση p-n πραγματοποιείται συχνά με διάχυση ατόμων ακαθαρσίας από την αέρια φάση στον κρύσταλλο ημιαγωγών. Η μέθοδος διάχυσης παρέχει καλύτερη αναπαραγωγιμότητα των παραμέτρων της διόδου. Οι δίοδοι ισχύος κατασκευάζονται συχνά με καλοριφέρ ψύξης.

Ρύζι. 3.2. Δομή διόδου: α – επίπεδη; β - σημείο

ΣΕ σημείο Στις διόδους (Εικ. 3.2, β), σχηματίζεται μια ανορθωτική ένωση p-n μεταξύ του μεταλλικού άκρου του ελατηρίου επαφής (διάμετρος 10...20 μm) και ενός κρυστάλλου ημιαγωγού, συνήθως τύπου n. Η διασταύρωση δημιουργείται με τη διέλευση σύντομων και ισχυρών παλμών προς τα εμπρός ρεύματος μέσω της διόδου. Σε αυτή την περίπτωση, η άκρη του ελατηρίου επαφής συντήκεται με τον κρύσταλλο και κοντά στη θέση σύντηξης, λόγω της διάχυσης του τηγμένου μετάλλου του άκρου στον κρύσταλλο, λαμβάνεται μια περιοχή ημιαγωγού τύπου p. Οι σημειακές δίοδοι, λόγω της μικρής περιοχής της διασταύρωσης p-n, παράγονται σε χαμηλά ρεύματα.

Ρύζι. 3.3. Χαρακτηριστικά Volt-ampere: 1 διασταύρωση N-P, 2 δίοδοι

Τα θεωρητικά χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης μιας σύνδεσης n-p και μιας διόδου ημιαγωγού (Εικ. 3.3) είναι κάπως διαφορετικά. Στην περιοχή των συνεχών ρευμάτων, αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι μέρος της εξωτερικής τάσης που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες της διόδου πέφτει στην ογκομετρική ωμική αντίσταση της βάσης (r b), η οποία καθορίζεται από τις γεωμετρικές της διαστάσεις και την ειδική αντίσταση της πηγής υλικό. Η τιμή του μπορεί να κυμαίνεται από μονάδες έως αρκετές δεκάδες ohms. Η πτώση τάσης στην αντίσταση r b γίνεται σημαντική σε ρεύματα που υπερβαίνουν πολλά milliamp. Επιπλέον, μέρος της τάσης πέφτει στην αντίσταση του ακροδέκτη. Ως αποτέλεσμα, η τάση απευθείας στη διασταύρωση n-p θα είναι μικρότερη από την τάση που εφαρμόζεται στους εξωτερικούς ακροδέκτες της διόδου. Το πραγματικό χαρακτηριστικό πηγαίνει κάτω από το θεωρητικό και γίνεται σχεδόν γραμμικό. Το χαρακτηριστικό πραγματικό ρεύμα-τάση στην περιοχή των συνεχών τάσεων περιγράφεται με την έκφραση:

Επομένως, η τάση που εφαρμόζεται στη δίοδο είναι:

U eb = I r b + U pn.

Πρέπει να σημειωθεί ότι η αντίσταση βάσης (r b) εξαρτάται από το μέγεθος του μπροστινού ρεύματος της διόδου, επομένως το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης είναι μια μη γραμμική συνάρτηση ακόμη και στην περιοχή των υψηλών ρευμάτων.

Καθώς αυξάνεται η αντίστροφη τάση, το ρεύμα της διόδου δεν παραμένει σταθερό και ίσο με το ρεύμα I 0 . Ένας από τους λόγους για την αύξηση του ρεύματος είναι η θερμική δημιουργία φορέων φορτίου στη διασταύρωση, η οποία δεν ελήφθη υπόψη κατά την εξαγωγή της έκφρασης για το θεωρητικό χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης. Η συνιστώσα του αντίστροφου ρεύματος μέσω της διασταύρωσης, ανάλογα με τον αριθμό των φορέων που παράγονται στη διασταύρωση, ονομάζεται ρεύμα θερμικής παραγωγής (I tg) . Καθώς αυξάνεται η αντίστροφη τάση, η διασταύρωση επεκτείνεται, ο αριθμός των φορέων που παράγονται σε αυτήν αυξάνεται και το ρεύμα αυξάνεται επίσης.

Ένας άλλος λόγος για την αύξηση του αντίστροφου ρεύματος είναι η πεπερασμένη αγωγιμότητα της επιφάνειας του κρυστάλλου από τον οποίο κατασκευάζεται η δίοδος. Αυτό το ρεύμα ονομάζεται ρεύμα διαρροής (I y). Στις σύγχρονες διόδους είναι πάντα μικρότερο από το θερμικό ρεύμα. Έτσι, το αντίστροφο ρεύμα στη δίοδο, που συμβολίζεται με I arr., ορίζεται ως το άθροισμα των ρευμάτων:

I arr = I 0 + I tg + I y.

Κάθε τύπος διόδου χαρακτηρίζεται από παραμέτρους - ποσότητες που καθορίζουν τις βασικές ιδιότητες των συσκευών και επίσης έχει χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης που διαφέρουν από άλλα. Υπάρχουν παράμετροι που χαρακτηρίζουν οποιαδήποτε δίοδο ημιαγωγών και ειδικές που είναι εγγενείς μόνο σε μεμονωμένες διόδους.

Οι δίοδοι ημιαγωγών έχουν τα εξής κύριες παραμέτρους :

• σταθερό αντίστροφο ρεύμα της διόδου (I reverse) - η τιμή του συνεχούς ρεύματος που ρέει μέσω της διόδου προς την αντίστροφη κατεύθυνση σε μια δεδομένη αντίστροφη τάση.
• σταθερή αντίστροφη τάση της διόδου (Urev) – η τιμή της σταθερής τάσης που εφαρμόζεται στη δίοδο προς την αντίστροφη κατεύθυνση.
• σταθερό μπροστινό ρεύμα της διόδου (I pr) - η τιμή του συνεχούς ρεύματος που ρέει μέσω της διόδου προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός.
• σταθερή μπροστινή τάση της διόδου (U pr) – η τιμή της σταθερής τάσης στη δίοδο σε ένα δεδομένο σταθερό μπροστινό ρεύμα.

Ο περιοριστικός τρόπος λειτουργίας των διόδων χαρακτηρίζεται από μέγιστες επιτρεπόμενες παραμέτρους – παράμετροι που διασφαλίζουν την καθορισμένη αξιοπιστία και των οποίων οι τιμές δεν πρέπει να υπερβαίνουν υπό οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας:

• μέγιστη επιτρεπόμενη απαγωγή ισχύος (P max);
• το μέγιστο επιτρεπόμενο συνεχές ρεύμα (I pr. max), η τιμή του οποίου περιορίζεται από τη θέρμανση της διασταύρωσης p-n.
• μέγιστη επιτρεπτή σταθερή αντίστροφη τάση (U arr. max).
• διαφορική αντίσταση (r diff);
• ελάχιστες (T min) και μέγιστες (T max) θερμοκρασίες περιβάλλοντος για λειτουργία διόδου.

Η επιτρεπόμενη απαγωγή ισχύος (P max) προσδιορίζεται από τη θερμική αντίσταση της διόδου (R t), την επιτρεπόμενη θερμοκρασία διασταύρωσης (T p max) και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (T o) σύμφωνα με τη σχέση:

Το μέγιστο επιτρεπόμενο προς τα εμπρός ρεύμα μπορεί να προσδιοριστεί από τη δεδομένη μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ:

Η αντίστροφη μέγιστη επιτρεπόμενη τάση (U rev. max) για διάφορους τύπους διόδων μπορεί να πάρει τιμές από πολλές μονάδες έως δεκάδες χιλιάδες βολτ. Περιορίζεται από την τάση διάσπασης:

Είσαι μέγιστος; Δείγματα 0,8 U

Η διαφορική αντίσταση (r diff) είναι ίση με τον λόγο της αύξησης της τάσης στη δίοδο προς τη μικρή αύξηση του ρεύματος μέσω της διόδου που την προκάλεσε:

Η αντίσταση r diff εξαρτάται από τον τρόπο λειτουργίας της διόδου.

Η ελάχιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος (T min) στην οποία μπορούν να λειτουργήσουν οι δίοδοι ημιαγωγών είναι συνήθως -60°C. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οι ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες των κρυστάλλων ημιαγωγών και των δομικών στοιχείων της διόδου επιδεινώνονται.

Για τις διόδους γερμανίου, η μέγιστη θερμοκρασία Tmax = +70 °C. Για πυριτόλιθο μπορεί να φτάσει τους +150 °C. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ο ημιαγωγός εκφυλίζεται: οι συγκεντρώσεις των φορέων πλειοψηφίας και μειοψηφίας γίνονται ίσες, η μετάβαση παύει να έχει τις ιδιότητες της μονόδρομης αγωγιμότητας

Ο χαρακτηρισμός της διόδου αποτελείται από έξι χαρακτήρες:

• Ο πρώτος χαρακτήρας (γράμμα ή αριθμός) υποδεικνύει το υλικό της διόδου (ο αριθμός υποδεικνύει διόδους που αντέχουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες):

G ή 1 - γερμάνιο.
Κ ή 2 - πυρίτιο;
A ή 3 – ενώσεις γαλλίου.

• ο δεύτερος χαρακτήρας (γράμμα) υποδεικνύει την υποκατηγορία συσκευών:

• ο τρίτος χαρακτήρας (αριθμός) υποδεικνύει τον αριθμό ταξινόμησης με τον οποίο οι δίοδοι διακρίνονται σε έναν δεδομένο τύπο (για παράδειγμα: 1 - χαμηλή ισχύς, 2 - μεσαία ισχύς, 3 - υψηλή ισχύς, 4 - καθολική, κ.λπ.).
• ο τέταρτος και ο πέμπτος χαρακτήρες (αριθμοί) υποδεικνύουν τον σειριακό αριθμό της ανάπτυξης (από 1 έως 99).
• ο έκτος χαρακτήρας (γράμμα) δείχνει τη διαφορά στις παραμέτρους που δεν είναι ταξινόμηση.

Για διόδους ημιαγωγών με μικρά μεγέθη περιβλήματος, η έγχρωμη σήμανση χρησιμοποιείται με τη μορφή σημαδιών που εφαρμόζονται στο σώμα της συσκευής.

Μια δίοδος ημιαγωγών ή βαλβίδα ημιαγωγών είναι μια συσκευή που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει μια ηλεκτρική ποσότητα σε μια άλλη ηλεκτρική ποσότητα, έχοντας μια διασταύρωση ηλεκτρονίου-οπής. Η δίοδος έχει δύο εξωτερικούς ακροδέκτες.

Οι δίοδοι γερμανίου και πυριτίου χρησιμοποιούν φαινόμενα που συμβαίνουν σε -μεταβάσεις μεταξύ της περιοχής του κρυστάλλου γερμανίου με -αγωγιμότητα και της περιοχής με -αγωγιμότητα. Κατασκευάζονται σημειακά, μικροεπίπεδα και επίπεδα.

Ρύζι. 17-6. Σημειακή βαλβίδα γερμανίου.

Ρύζι. 17-7. Χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης μιας σημειακής βαλβίδας γερμανίου.

Μια σημειακή δίοδος γερμανίου (Εικ. 17-6) αποτελείται από έναν κύλινδρο από γυαλί (ή γυαλί-μέταλλο) με διάμετρο περίπου 3 και μήκος 9 mm, στον οποίο είναι συγκολλημένοι δύο ακροδέκτες αγωγών, στο άκρο ενός από αυτούς στερεώνεται ένας κρύσταλλος γερμανίου 1 με -αγωγιμότητα, στο άκρο του άλλου - λεπτό μυτερό σύρμα - βελόνα 2 από ίνδιο.

Ρύζι. 17-8. Βαλβίδα αεροπλάνου γερμανίου τύπου D-7.

Το στρώμα μπλοκαρίσματος (-junction) σχηματίζεται κατά το σχηματισμό της διόδου κατά τη μετάδοση. παλμούς ρεύματος, υπό την επίδραση των οποίων τα άτομα ινδίου διαχέονται στον κρύσταλλο του γερμανίου, σχηματίζοντας μια ημισφαιρική περιοχή σε αυτόν (Εικ. 17-6) με αγωγιμότητα οπής. Το μέγιστο ρεύμα προς τα εμπρός αυτής της βαλβίδας είναι 16 mA, η μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση είναι 50 V. Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της βαλβίδας φαίνεται στο Σχ. 17-7.

Οι μικροεπίπεδες δίοδοι διαφέρουν από τις σημειακές δίοδοι στο ότι έχουν μια ελαφρώς μεγαλύτερη επιφάνεια διασταύρωσης.

Μια επίπεδη βαλβίδα (Εικ. 17-8, α) αποτελείται από μια πλάκα γερμανίου 1 με πρόσμιξη αρσενικού ή αντιμονίου, η οποία έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα, και ένα δισκίο ινδίου 2. Κατά την κατασκευή μιας διόδου, θερμαίνονται σε θερμοκρασία περίπου 500 ° C, στους οποίους λιώνει το δισκίο ινδίου, τα άτομα του διαχέονται σε γερμάνιο, σχηματίζοντας την περιοχή 2a (Εικ. 17-8, α) με αγωγιμότητα οπής. Δημιουργείται μια μετάβαση στα σύνορα δύο περιοχών.

Στο Σχ. 17-8, το b δείχνει τη δομή μιας από τις επίπεδες διόδους γερμανίου.

Ρύζι. 17-9. Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας επίπεδης βαλβίδας.

Ρύζι. 17-10. Δίοδος πυριτίου τύπου VK-100.

Σε μια μεταλλική θήκη 5, στερεώνεται ένας αγωγός 4 με κρύσταλλο γερμανίου 1 που βρίσκεται στο άκρο. Ένα ηλεκτρόδιο ινδίου 2 συνδέεται σε έναν από τους ακροδέκτες 7 μέσω ενός αγωγού 3 που διέρχεται από έναν μονωτή 6. Το ανορθωμένο μέγιστο ρεύμα της βαλβίδας. είναι 300 mA, η μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση είναι 50 V. Στο Σχ. . 17-9 δείχνει το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας επίπεδης βαλβίδας.

Οι δίοδοι γερμανίου επιτρέπουν πυκνότητα ρεύματος έως και 100 A/cm2 σε μπροστινή τάση έως και 0,8 V. Θερμοκρασία λειτουργίας C.

Οι διόδους πυριτίου ανορθωτή κατασκευάζονται με τη σύντηξη αλουμινίου σε πυρίτιο τύπου. Για αυτές τις διόδους, η πυκνότητα ρεύματος φτάνει τα 200 A/cm2 με μπροστινή τάση έως 1-1,2 V. Το ρεύμα λειτουργίας είναι μέχρι 1.000 A, η επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση είναι συνήθως 700-800 V, μερικές φορές περισσότερο από 1.000 V.

Στις βαλβίδες πυριτίου, το αντίστροφο ρεύμα είναι αρκετές τάξεις μεγέθους. λιγότερο από αυτό του γερμανίου. Θερμοκρασία λειτουργίας -60 - +150° C. Στο Σχ. Το σχήμα 17-10 δείχνει μια αερόψυκτη δίοδο πυριτίου τύπου VK-100 με ονομαστικό ρεύμα 100 A.

ΘΕΜΑ 3. ΔΙΟΔΕΣ ΗΜΙΑΓΩΓΙΩΝ

Μια δίοδος ημιαγωγών είναι μια ηλεκτρική συσκευή ημιαγωγού μετατροπής με μία ηλεκτρική διασταύρωση και δύο ακροδέκτες, η οποία χρησιμοποιεί τις ιδιότητες μιας διασταύρωσης pn.

Οι δίοδοι ημιαγωγών ταξινομούνται:

1) κατά σκοπό: ανορθωτής, υψηλής συχνότητας και υπερυψηλής συχνότητας (δίοδοι HF και μικροκυμάτων), παλμικές, ημιαγωγικές δίοδοι zener (δίοδοι αναφοράς), δίοδοι σήραγγας, αντίστροφες δίοδοι, varicaps κ.λπ.

2) σύμφωνα με το σχεδιασμό και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά: επίπεδα και σημειακά.

3) ανά τύπο υλικού πηγής: γερμάνιο, πυρίτιο, αρσενίδιο-γάλλιο κ.λπ.

Εικόνα 3.1 – Σχεδιασμός σημειακών διόδων

Μια σημειακή δίοδος χρησιμοποιεί μια πλάκα γερμανίου ή πυριτίου με ηλεκτρική αγωγιμότητα τύπου n (Εικ. 3.1), πάχους 0,1...0,6 mm και επιφάνειας 0,5...1,5 mm2. Ένα ακονισμένο σύρμα (βελόνα) με ακαθαρσίες που εναποτίθεται πάνω του έρχεται σε επαφή με την πλάκα. Σε αυτή την περίπτωση, οι ακαθαρσίες διαχέονται από τη βελόνα στον κύριο ημιαγωγό, οι οποίες δημιουργούν μια περιοχή με διαφορετικό τύπο ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Έτσι, μια μικροσκοπική ημισφαιρική σύνδεση pn σχηματίζεται κοντά στη βελόνα.

Για την κατασκευή σημειακών διόδων γερμανίου, ένα σύρμα βολφραμίου επικαλυμμένο με ίνδιο συγκολλάται σε μια πλάκα γερμανίου. Το ίνδιο είναι ένας αποδέκτης για το γερμάνιο. Η προκύπτουσα περιοχή γερμανίου τύπου p είναι εκπομπός.

Οι δίοδοι σημείου πυριτίου κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας πυρίτιο τύπου n και ένα σύρμα επικαλυμμένο με αλουμίνιο, το οποίο χρησιμεύει ως δέκτης για το πυρίτιο.

Στις επίπεδες διόδους, μια διασταύρωση pn σχηματίζεται από δύο ημιαγωγούς με διαφορετικούς τύπους ηλεκτρικής αγωγιμότητας και η περιοχή σύνδεσης διαφορετικών τύπων διόδων κυμαίνεται από εκατοστά του τετραγωνικού χιλιοστού έως αρκετές δεκάδες τετραγωνικά εκατοστά (δίοδοι ισχύος).

Οι επίπεδες δίοδοι κατασκευάζονται με μεθόδους σύντηξης (σύντηξης) ή διάχυσης (Εικ. 3.2).

Εικόνα 3.2 – Σχεδιασμός επίπεδων διόδων που κατασκευάζονται με το κράμα (α) και τη μέθοδο διάχυσης (β)

Μια σταγόνα ινδίου συντήκεται σε μια πλάκα γερμανίου τύπου n σε θερμοκρασία περίπου 500°C (Εικ. 3.2, α), η οποία, συντηγμένη με γερμάνιο, σχηματίζει ένα στρώμα γερμανίου τύπου p. Η περιοχή με ηλεκτρική αγωγιμότητα τύπου p έχει υψηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών από την κύρια πλάκα και επομένως είναι εκπομπός. Τα σύρματα μολύβδου, συνήθως κατασκευασμένα από νικέλιο, συγκολλούνται στην κύρια πλάκα γερμανίου και στην πλάκα ινδίου. Εάν το γερμάνιο τύπου p λαμβάνεται ως πρώτη ύλη, τότε τήκεται αντιμόνιο σε αυτό και στη συνέχεια λαμβάνεται μια περιοχή εκπομπής τύπου n.

Η μέθοδος διάχυσης για την κατασκευή μιας σύνδεσης p-n βασίζεται στο γεγονός ότι τα άτομα ακαθαρσίας διαχέονται στον κύριο ημιαγωγό (Εικ. 3.2, β). Για τη δημιουργία ενός στρώματος p, χρησιμοποιείται η διάχυση ενός στοιχείου δέκτη (βόριο ή αλουμίνιο για το πυρίτιο, ίνδιο για το γερμάνιο) μέσω της επιφάνειας του υλικού πηγής.

3.1 Διόδους ανόρθωσης

Μια ανορθωτική δίοδος ημιαγωγών είναι μια δίοδος ημιαγωγών που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές ρεύμα.

Οι δίοδοι ανορθωτή κατασκευάζονται με βάση μια διασταύρωση pn και έχουν δύο περιοχές, η μία από τις οποίες είναι χαμηλότερης αντίστασης (περιέχει υψηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών) και ονομάζεται εκπομπός. Η άλλη περιοχή, η βάση, είναι πιο ανθεκτική (περιέχει χαμηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών).

Η λειτουργία των διόδων ανορθωτή βασίζεται στην ιδιότητα της μονόδρομης αγωγιμότητας της διασταύρωσης p-n, η οποία έγκειται στο γεγονός ότι η τελευταία μεταφέρει καλά το ρεύμα (έχει χαμηλή αντίσταση) όταν συνδέεται απευθείας και πρακτικά δεν μεταφέρει ρεύμα (έχει πολύ υψηλό αντίσταση) όταν συνδέεται αντίστροφα.

Όπως είναι γνωστό, το μπροστινό ρεύμα της διόδου δημιουργείται από τα κύρια και το αντίστροφο ρεύμα δημιουργείται από μη πρωτεύοντες φορείς φόρτισης. Η συγκέντρωση των πλειοψηφικών φορέων φορτίου είναι αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερη από τη συγκέντρωση των μη πλειοψηφικών φορέων, η οποία καθορίζει τις ιδιότητες της βαλβίδας της διόδου.

Οι κύριες παράμετροι των διόδων ανόρθωσης ημιαγωγών είναι:

· Ρεύμα μπροστινής διόδου Ipr, το οποίο κανονικοποιείται σε μια συγκεκριμένη τάση προς τα εμπρός (συνήθως Upr = 1...2V).

· Μέγιστο επιτρεπόμενο πρόσθιο ρεύμα Ipr max δίοδος.

· τη μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση της διόδου Urev max, στην οποία η δίοδος μπορεί να λειτουργεί κανονικά για μεγάλο χρονικό διάστημα.

· σταθερό αντίστροφο ρεύμα Irev που ρέει μέσω της διόδου με αντίστροφη τάση ίση με το Urev max.

· μέσο ανορθωμένο ρεύμα Ivp.sr, το οποίο μπορεί να περάσει από τη δίοδο για μεγάλο χρονικό διάστημα σε μια αποδεκτή θερμοκρασία θέρμανσης.

· μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς Pmax που διαχέεται από τη δίοδο, στην οποία διασφαλίζεται η καθορισμένη αξιοπιστία της διόδου.

Σύμφωνα με τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή του μέσου ανορθωμένου ρεύματος, οι δίοδοι χωρίζονται σε χαμηλής ισχύος (Ivp.av £ 0,3A), μεσαίας ισχύος (0,3A 10Α).

Για να διατηρηθεί η απόδοση μιας διόδου γερμανίου, η θερμοκρασία της δεν πρέπει να υπερβαίνει τους +85°C. Οι δίοδοι πυριτίου μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασίες έως +150°C.

Σχήμα 3.3 – Αλλαγή στα χαρακτηριστικά βολτ-αμπέρ μιας διόδου ημιαγωγών ανάλογα με τη θερμοκρασία: α – για μια δίοδο γερμανίου. β – για δίοδο πυριτίου

Η πτώση τάσης κατά τη διέλευση συνεχούς ρεύματος για διόδους γερμανίου είναι DUpr = 0,3...0,6V, για διόδους πυριτίου - DUpr = 0,8...1,2V. Οι μεγάλες πτώσεις τάσης όταν το συνεχές ρεύμα διέρχεται από διόδους πυριτίου σε σύγκριση με τις άμεσες πτώσεις τάσης στις διόδους γερμανίου συνδέονται με υψηλότερο ύψος φραγμού δυναμικού των συνδέσεων p-n που σχηματίζονται σε πυρίτιο.

Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η πτώση τάσης προς τα εμπρός μειώνεται, η οποία σχετίζεται με μείωση του ύψους του φραγμού δυναμικού.

Όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση σε μια δίοδο ημιαγωγού, δημιουργείται ένα ελαφρύ αντίστροφο ρεύμα σε αυτήν, λόγω της κίνησης των φορέων μειοψηφίας φορτίου μέσω της διασταύρωσης pn.

Καθώς η θερμοκρασία της σύνδεσης pn αυξάνεται, ο αριθμός των μειοψηφικών φορέων φορτίου αυξάνεται λόγω της μετάβασης ορισμένων ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας και του σχηματισμού ζευγών φορέων φορτίου ηλεκτρονίου-οπής. Επομένως, το αντίστροφο ρεύμα της διόδου αυξάνεται.

Όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση αρκετών εκατοντάδων βολτ στη δίοδο, το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στο στρώμα μπλοκαρίσματος γίνεται τόσο ισχυρό που μπορεί να τραβήξει ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας (φαινόμενο Zener). Σε αυτή την περίπτωση, το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται απότομα, γεγονός που προκαλεί θέρμανση της διόδου, περαιτέρω αύξηση του ρεύματος και, τέλος, θερμική διάσπαση (καταστροφή) της διασταύρωσης p-n. Οι περισσότερες δίοδοι μπορούν να λειτουργούν αξιόπιστα σε αντίστροφες τάσεις που δεν υπερβαίνουν το (0,7...0,8) Uprob.

Η επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση των διόδων γερμανίου φτάνει - 100...400V, και για διόδους πυριτίου - 1000...1500V.

Σε μια σειρά ισχυρών εγκαταστάσεων μετατροπέων, οι απαιτήσεις για τη μέση τιμή του μπροστινού ρεύματος και της αντίστροφης τάσης υπερβαίνουν την ονομαστική τιμή των παραμέτρων των υπαρχουσών διόδων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το πρόβλημα επιλύεται με παράλληλη ή σειριακή σύνδεση διόδων.

Η παράλληλη σύνδεση διόδων χρησιμοποιείται όταν είναι απαραίτητο να ληφθεί μπροστινό ρεύμα μεγαλύτερο από το οριακό ρεύμα μιας διόδου. Αλλά εάν οι δίοδοι του ίδιου τύπου συνδέονται απλώς παράλληλα, τότε, λόγω της αναντιστοιχίας των άμεσων διακλαδώσεων του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης, θα φορτιστούν διαφορετικά και, σε ορισμένες, το μπροστινό ρεύμα θα είναι μεγαλύτερο από το περιοριστικό .

Εικόνα 3.4 – Παράλληλη σύνδεση διόδων ανορθωτή

Για την εξίσωση των ρευμάτων, χρησιμοποιούνται δίοδοι με μικρή διαφορά στους άμεσους κλάδους του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης (επιλέγονται) ή αντιστάσεις εξισορρόπησης με αντίσταση μονάδων Ohm συνδέονται σε σειρά με τις διόδους. Μερικές φορές περιλαμβάνονται επιπλέον αντιστάσεις (Εικ. 3.4, γ) με αντίσταση αρκετές φορές μεγαλύτερη από την άμεση αντίσταση των διόδων, έτσι ώστε το ρεύμα σε κάθε δίοδο να καθορίζεται κυρίως από την αντίσταση Rd, δηλ. Rd>>rpr vd. Η τιμή του Rd είναι εκατοντάδες ohms.

Η σειριακή σύνδεση των διόδων χρησιμοποιείται για την αύξηση της συνολικής επιτρεπόμενης αντίστροφης τάσης. Όταν εκτίθεται σε αντίστροφη τάση, το ίδιο αντίστροφο ρεύμα Irev ρέει μέσω διόδων συνδεδεμένων σε σειρά. Ωστόσο, λόγω της διαφοράς στους αντίστροφους κλάδους του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης, η συνολική τάση θα κατανεμηθεί άνισα στις διόδους. Μια δίοδος της οποίας ο αντίστροφος κλάδος του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης είναι υψηλότερος θα έχει μεγαλύτερη τάση που εφαρμόζεται σε αυτήν. Μπορεί να είναι υψηλότερο από το όριο, γεγονός που θα οδηγήσει σε βλάβη των διόδων.

Εικόνα 3.5 – Σύνδεση σε σειρά διόδων ανορθωτή

Για να εξασφαλιστεί ότι η αντίστροφη τάση κατανέμεται ομοιόμορφα μεταξύ των διόδων ανεξάρτητα από την αντίστροφη αντίστασή τους, οι δίοδοι διακλαδίζονται με αντιστάσεις. Οι αντιστάσεις Rsh των αντιστάσεων πρέπει να είναι ίδιες και σημαντικά μικρότερες από τη μικρότερη αντίστροφη αντίσταση των διόδων Rsh<

3.2 Δίοδοι Zener

Μια δίοδος zener ημιαγωγών είναι μια δίοδος ημιαγωγών, η τάση από την οποία στην περιοχή της ηλεκτρικής διάσπασης εξαρτάται ασθενώς από το ρεύμα και η οποία χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση της τάσης.

Οι δίοδοι zener ημιαγωγών χρησιμοποιούν την ιδιότητα μιας μικρής αλλαγής στην αντίστροφη τάση στη διασταύρωση p-n κατά τη διάρκεια μιας ηλεκτρικής βλάβης (χιονοστιβάδα ή σήραγγα). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μια μικρή αύξηση της τάσης στη διασταύρωση pn στη λειτουργία ηλεκτρικής διάσπασης προκαλεί μια πιο έντονη παραγωγή φορέων φορτίου και σημαντική αύξηση στο αντίστροφο ρεύμα.

Οι δίοδοι zener χαμηλής τάσης κατασκευάζονται με βάση το βαρύ κράμα (χαμηλής αντίστασης) υλικού. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται μια στενή επίπεδη διασταύρωση, στην οποία συμβαίνει ηλεκτρική βλάβη σήραγγας σε σχετικά χαμηλές αντίστροφες τάσεις (λιγότερες από 6V). Οι δίοδοι zener υψηλής τάσης κατασκευάζονται με βάση ελαφρά κραματοποιημένο υλικό (υψηλής αντίστασης). Ως εκ τούτου, η αρχή λειτουργίας τους συνδέεται με ηλεκτρική βλάβη χιονοστιβάδας.

Οι κύριες παράμετροι των διόδων zener:

· Τάση σταθεροποίησης Ust (Ust = 1…1000V);

· ελάχιστα Ist mіn και μέγιστα Ist max ρεύματα σταθεροποίησης (Ist mіn" 1,0...10 mA, Ist max "0,05...2,0A);

· μέγιστη επιτρεπόμενη απαγωγή ισχύος Рmax;

· διαφορική αντίσταση στο τμήμα σταθεροποίησης rd = DUst/DIst, (rd" 0,5...200 Ohm);

συντελεστής θερμοκρασίας τάσης στο τμήμα σταθεροποίησης:

Το TKU μιας διόδου zener δείχνει σε ποιο ποσοστό θα αλλάξει η τάση σταθεροποίησης όταν η θερμοκρασία του ημιαγωγού αλλάξει κατά 1°C

(TKU= −0,5…+0,2%/°С).

Εικόνα 3.6 – Χαρακτηριστικό Volt-ampere της διόδου zener και η συμβολική γραφική ονομασία της

Οι δίοδοι Zener χρησιμοποιούνται για τη σταθεροποίηση των τάσεων των τροφοδοτικών, καθώς και για τη ρύθμιση των επιπέδων τάσης σε διάφορα κυκλώματα.

Η σταθεροποίηση τάσης χαμηλής τάσης εντός 0,3...1V μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας τον άμεσο κλάδο του χαρακτηριστικού I-V των διόδων πυριτίου. Μια δίοδος στην οποία χρησιμοποιείται ο άμεσος κλάδος του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης για τη σταθεροποίηση της τάσης ονομάζεται σταθεροποιητής. Υπάρχουν επίσης διπλής όψης (συμμετρικές) δίοδοι zener που έχουν ένα συμμετρικό χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης σε σχέση με την αρχή.

Οι δίοδοι Zener μπορούν να συνδεθούν σε σειρά, με την προκύπτουσα τάση σταθεροποίησης ίση με το άθροισμα των τάσεων της διόδου zener:

Ust = Ust1 + Ust2 +…

Η παράλληλη σύνδεση των διόδων zener είναι απαράδεκτη, γιατί Λόγω της διασποράς των χαρακτηριστικών και των παραμέτρων όλων των παράλληλα συνδεδεμένων διόδων zener, το ρεύμα θα προκύψει μόνο σε μία, η οποία έχει τη χαμηλότερη τάση σταθεροποίησης Ust, η οποία θα προκαλέσει υπερθέρμανση της διόδου zener.

3.3 Σήραγγες και αντίστροφες δίοδοι

Μια δίοδος σήραγγας είναι μια δίοδος ημιαγωγών που βασίζεται σε έναν εκφυλισμένο ημιαγωγό, στον οποίο το φαινόμενο της σήραγγας οδηγεί στην εμφάνιση ενός τμήματος αρνητικής διαφορικής αντίστασης στο χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης στην προς τα εμπρός τάση.

Η δίοδος σήραγγας είναι κατασκευασμένη από αρσενίδιο γερμανίου ή γαλλίου με πολύ υψηλή συγκέντρωση ακαθαρσιών, δηλ. με πολύ χαμηλή ειδική αντίσταση. Τέτοιοι ημιαγωγοί με χαμηλή αντίσταση ονομάζονται εκφυλισμένοι. Αυτό καθιστά δυνατή τη λήψη μιας πολύ στενής διασταύρωσης pn. Σε τέτοιες μεταβάσεις, δημιουργούνται συνθήκες για σχετικά ελεύθερη διοχέτευση ηλεκτρονίων μέσω ενός φραγμού δυναμικού (φαινόμενο σήραγγας). Το φαινόμενο της σήραγγας οδηγεί στην εμφάνιση ενός τμήματος με αρνητική διαφορική αντίσταση στον άμεσο κλάδο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της διόδου. Το φαινόμενο της σήραγγας είναι ότι σε ένα αρκετά χαμηλό ύψος του φραγμού δυναμικού, τα ηλεκτρόνια μπορούν να διεισδύσουν μέσα από το φράγμα χωρίς να αλλάξουν την ενέργειά τους.

Κύριες παράμετροι διόδων σήραγγας:

· ρεύμα αιχμής Iп – ρεύμα προς τα εμπρός στο μέγιστο σημείο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης.

· ρεύμα κοιλάδας Iв – ρεύμα προς τα εμπρός στο ελάχιστο σημείο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης.

· αναλογία ρευμάτων διόδου σήραγγας Iп/Iв.

· Τάση αιχμής Up – τάση προς τα εμπρός που αντιστοιχεί στο ρεύμα αιχμής.

· Τάση κοιλάδας Uв – τάση προς τα εμπρός που αντιστοιχεί στο ρεύμα της κοιλάδας.

· Τάση διαλύματος Ουρ.

Οι δίοδοι σήραγγας χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία και την ενίσχυση ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων, καθώς και σε κυκλώματα μεταγωγής και παλμών υψηλής ταχύτητας.

Σχήμα 3.7 – Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας διόδου σήραγγας

Μια αντίστροφη δίοδος είναι μια δίοδος που βασίζεται σε έναν ημιαγωγό με κρίσιμη συγκέντρωση ακαθαρσιών, στον οποίο η αγωγιμότητα στην αντίστροφη τάση λόγω του φαινομένου της σήραγγας είναι σημαντικά μεγαλύτερη από ό,τι στην προς τα εμπρός τάση.

Η αρχή λειτουργίας μιας αντίστροφης διόδου βασίζεται στη χρήση του φαινομένου της σήραγγας. Αλλά στις αντίστροφες διόδους η συγκέντρωση των ακαθαρσιών είναι χαμηλότερη από ό,τι στις συμβατικές διόδους σήραγγας. Επομένως, η διαφορά δυναμικού επαφής για τις αντίστροφες διόδους είναι μικρότερη και το πάχος της διασταύρωσης pn είναι μεγαλύτερο. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι υπό την επίδραση της άμεσης τάσης, δεν δημιουργείται συνεχές ρεύμα σήραγγας. Το προς τα εμπρός ρεύμα στις αντίστροφες διόδους δημιουργείται από την έγχυση φορέων μη πλειοψηφικής φόρτισης μέσω της διασταύρωσης p-n, δηλ. το συνεχές ρεύμα είναι διάχυση. Όταν η τάση αντιστρέφεται, ένα σημαντικό ρεύμα σήραγγας ρέει μέσω της διασταύρωσης, που δημιουργείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσω του φραγμού δυναμικού από την περιοχή p στην περιοχή n. Το τμήμα εργασίας του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης μιας αντίστροφης διόδου είναι ο αντίστροφος κλάδος.

Έτσι, οι αντίστροφες δίοδοι έχουν ανορθωτική επίδραση, αλλά η κατεύθυνση διέλευσης (αγώγιμη) τους αντιστοιχεί σε αντίστροφη σύνδεση και η διεύθυνση μπλοκαρίσματος (μη αγώγιμη) αντιστοιχεί σε απευθείας σύνδεση.

Σχήμα 3.8 – Χαρακτηριστικό Volt-ampere μιας αντίστροφης διόδου

Οι αντίστροφες δίοδοι χρησιμοποιούνται σε παλμικές συσκευές, καθώς και ως μετατροπείς σήματος (μίκτες και ανιχνευτές) σε συσκευές ραδιομηχανικής.

3.4 Varicaps

Το varicap είναι μια δίοδος ημιαγωγών που χρησιμοποιεί την εξάρτηση της χωρητικότητας από το μέγεθος της αντίστροφης τάσης και προορίζεται για χρήση ως στοιχείο με ηλεκτρικά ελεγχόμενη χωρητικότητα.

Το ημιαγωγικό υλικό για την κατασκευή των varicaps είναι το πυρίτιο.

Βασικές παράμετροι varicaps:

· ονομαστική χωρητικότητα Sv – χωρητικότητα σε δεδομένη αντίστροφη τάση (Sv = 10...500 pF);

συντελεστής επικάλυψης χωρητικότητας

; (Ks = 5...20) – ο λόγος των χωρητικοτήτων varicap σε δύο δεδομένες τιμές αντίστροφων τάσεων.

Τα Varicaps χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορα κυκλώματα για αυτόματη ρύθμιση συχνότητας και σε παραμετρικούς ενισχυτές.

Σχήμα 3.9 – Χαρακτηριστικό χωρητικότητας-τάσης ενός varicap

3.5 Υπολογισμός ηλεκτρικών κυκλωμάτων με διόδους ημιαγωγών.

Σε πρακτικά κυκλώματα, κάποιο φορτίο, για παράδειγμα μια αντίσταση, συνδέεται στο κύκλωμα διόδου (Εικ. 3.10, α). Συνεχές ρεύμα ρέει όταν η άνοδος έχει θετικό δυναμικό σε σχέση με την κάθοδο.

Ο τρόπος λειτουργίας της διόδου με φορτίο ονομάζεται τρόπος λειτουργίας. Εάν η δίοδος είχε γραμμική αντίσταση, τότε ο υπολογισμός του ρεύματος σε ένα τέτοιο κύκλωμα δεν θα ήταν δύσκολος, αφού η συνολική αντίσταση του κυκλώματος είναι ίση με το άθροισμα της αντίστασης της διόδου στο συνεχές ρεύμα Ro και της αντίστασης της αντίστασης φορτίου Rн. Όμως η δίοδος έχει μη γραμμική αντίσταση και η τιμή Ro της αλλάζει καθώς αλλάζει το ρεύμα. Επομένως, ο τρέχων υπολογισμός γίνεται γραφικά. Η εργασία είναι η εξής: οι τιμές των E, Rn και τα χαρακτηριστικά της διόδου είναι γνωστές, απαιτείται για τον προσδιορισμό του ρεύματος στο κύκλωμα I και της τάσης στη δίοδο Ud.

Εικόνα 3.10

Το χαρακτηριστικό της διόδου πρέπει να θεωρηθεί ως ένα γράφημα κάποιας εξίσωσης που συνδέει τις ποσότητες I και U. Και για την αντίσταση Rн, μια παρόμοια εξίσωση είναι ο νόμος του Ohm:

(3.1)

Άρα, υπάρχουν δύο εξισώσεις με δύο αγνώστους I και U, και μια από τις εξισώσεις δίνεται γραφικά. Για να λύσετε ένα τέτοιο σύστημα εξισώσεων, πρέπει να κατασκευάσετε ένα γράφημα της δεύτερης εξίσωσης και να βρείτε τις συντεταγμένες του σημείου τομής των δύο γραφημάτων.

Η εξίσωση για την αντίσταση Rн είναι μια εξίσωση πρώτου βαθμού ως προς το I και το U. Το γράφημα της είναι μια ευθεία γραμμή που ονομάζεται γραμμή φορτίου. Κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας δύο σημεία στους άξονες συντεταγμένων. Για I= 0, από την εξίσωση (3.1) παίρνουμε: E − U= 0 ή U= E, που αντιστοιχεί στο σημείο Α του Σχ. 3.10, β. Και αν U= 0, τότε I= E/Rн. σχεδιάζουμε αυτό το ρεύμα στον άξονα τεταγμένων (σημείο Β). Τραβάμε μια ευθεία γραμμή μέσα από τα σημεία Α και Β, που είναι η γραμμή φορτίου. Οι συντεταγμένες του σημείου Δ δίνουν τη λύση στο πρόβλημα.

Πρέπει να σημειωθεί ότι ένας γραφικός υπολογισμός του τρόπου λειτουργίας της διόδου μπορεί να παραλειφθεί εάν Rн >> Ro. Σε αυτή την περίπτωση, επιτρέπεται να παραμεληθεί η αντίσταση της διόδου και να προσδιοριστεί το ρεύμα περίπου: I»E/Rн.

Η εξεταζόμενη μέθοδος για τον υπολογισμό της άμεσης τάσης μπορεί να εφαρμοστεί σε τιμές πλάτους ή στιγμιαίες αν η πηγή παρέχει εναλλασσόμενη τάση.

Δεδομένου ότι οι δίοδοι ημιαγωγών μεταφέρουν καλά το ρεύμα προς την εμπρός κατεύθυνση και ελάχιστα στην αντίστροφη κατεύθυνση, οι περισσότερες δίοδοι ημιαγωγών χρησιμοποιούνται για την ανόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος.

Το απλούστερο κύκλωμα για την ανόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος φαίνεται στο Σχ. 3.11. Συνδέεται σε σειρά με μια πηγή εναλλασσόμενου emf - e, μια δίοδο VD και μια αντίσταση φορτίου Rн. Αυτό το κύκλωμα ονομάζεται μισό κύμα.

Ο απλούστερος ανορθωτής λειτουργεί ως εξής. Κατά τη διάρκεια ενός μισού κύκλου, η τάση για τη δίοδο είναι άμεση και περνά ένα ρεύμα, δημιουργώντας μια πτώση τάσης UR στην αντίσταση Rн. Κατά τον επόμενο μισό κύκλο, η τάση αντιστρέφεται, πρακτικά δεν υπάρχει ρεύμα και UR = 0. Έτσι, ένα παλμικό ρεύμα διέρχεται από τη δίοδο και την αντίσταση φορτίου με τη μορφή παλμών που διαρκούν μισό κύκλο. Αυτό το ρεύμα ονομάζεται ανορθωμένο ρεύμα. Δημιουργεί μια ανορθωμένη τάση στην αντίσταση Rн. Γραφήματα στο Σχ. 3.11, b απεικονίζουν τις διαδικασίες στον ανορθωτή.

Εικόνα 3.11

Το πλάτος των θετικών ημικυμάτων στη δίοδο είναι πολύ μικρό. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι όταν περνά συνεχές ρεύμα, το μεγαλύτερο μέρος της τάσης της πηγής πέφτει στην αντίσταση φορτίου Rn, η αντίσταση της οποίας υπερβαίνει σημαντικά την αντίσταση της διόδου. Στην προκειμένη περίπτωση

. (3.2)

Για τις συμβατικές διόδους ημιαγωγών, η μπροστινή τάση δεν είναι μεγαλύτερη από 1...2V. Για παράδειγμα, αφήστε την πηγή να έχει ενεργή τάση E = 200V και

. Αν Up max = 2V, τότε URmax = 278V.

Με ένα αρνητικό μισό κύμα της παρεχόμενης τάσης, πρακτικά δεν υπάρχει ρεύμα και η πτώση τάσης στην αντίσταση Rn είναι μηδέν. Ολόκληρη η τάση της πηγής εφαρμόζεται στη δίοδο και είναι η αντίστροφη τάση για αυτήν. Έτσι, η μέγιστη τιμή της αντίστροφης τάσης είναι ίση με το πλάτος της πηγής emf.

Το απλούστερο διάγραμμα χρήσης μιας διόδου zener φαίνεται στο Σχ. 3.12, α. Το φορτίο (καταναλωτής) συνδέεται παράλληλα με τη δίοδο zener. Επομένως, στη λειτουργία σταθεροποίησης, όταν η τάση στη δίοδο zener είναι σχεδόν σταθερή, η ίδια τάση θα είναι και στο φορτίο. Συνήθως το Rogr υπολογίζεται για το μέσο T των χαρακτηριστικών της διόδου zener.

Ας εξετάσουμε την περίπτωση όταν E = const, και Rн ποικίλλει από Rn min έως Rn max..

Η τιμή του Rolim μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

(3.3)

όπου Iav = 0,5 (Ist min+Ist max) – μέσο ρεύμα διόδου zener.

Iн = Ust/Rн – ρεύμα φόρτωσης (στο Rн = const);

In.av = 0,5 (Σε min+In max), (με Rn = var),

Και .

Εικόνα 3.12

Η λειτουργία του κυκλώματος σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας μπορεί να εξηγηθεί ως εξής. Εφόσον το Rogr είναι σταθερό και η πτώση τάσης σε αυτό, ίση με (E − Ust), είναι επίσης σταθερή, τότε το ρεύμα στο Rogr, ίσο με (Ist + In.sr), πρέπει να είναι σταθερό. Αλλά το τελευταίο είναι δυνατό μόνο εάν το ρεύμα της διόδου zener I και το ρεύμα φορτίου In αλλάζουν στον ίδιο βαθμό, αλλά σε αντίθετες κατευθύνσεις. Για παράδειγμα, αν το In αυξηθεί, τότε το ρεύμα I μειώνεται κατά το ίδιο ποσό και το άθροισμά τους παραμένει αμετάβλητο.

Ας εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας μιας διόδου zener χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός κυκλώματος που αποτελείται από μια συνδεδεμένη σε σειρά πηγή μεταβλητού EMF - e, μια δίοδο zener VD και μια αντίσταση R (Εικ. 3.13, α).

Κατά τη διάρκεια του θετικού μισού κύκλου, εφαρμόζεται αντίστροφη τάση στη δίοδο zener και μέχρι την τάση διάσπασης της διόδου zener, όλη η τάση εφαρμόζεται στη δίοδο zener, καθώς το ρεύμα στο κύκλωμα είναι μηδέν. Μετά την ηλεκτρική βλάβη της διόδου zener, η τάση στη δίοδο zener VD παραμένει αμετάβλητη και όλη η τάση που απομένει Πηγή EMFθα εφαρμοστεί στην αντίσταση R. Κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού κύκλου, η δίοδος zener ενεργοποιείται στην αγώγιμη κατεύθυνση, η πτώση τάσης κατά μήκος της είναι της τάξης του 1V και η υπόλοιπη τάση της πηγής EMF εφαρμόζεται στην αντίσταση R .