silīcija diode. Lielā naftas un gāzes enciklopēdija

pusvadītāju diode - elektropārveides ierīce ar diviem vadiem un vienu elektronu caurumu p-n-pāreju.

Pusvadītāju diodes tiek klasificēti:

pēc dizaina : plakans, punkts;

pēc izejmateriāla veida: germānija, silīcijs, arsenīdgalijs utt.

pēc pieraksta (1. att.) : a) taisngriežu, augstfrekvences, mikroviļņu, impulsu un Gunn diodes; b) Zenera diodes; c) varikaps; d) tuneļa diodes; e) apgrieztās diodes; f) Šotkija diodes; g) gaismas diodes; h) fotodiodes.

1. att. Nosacīts grafiskais apzīmējums pusvadītāju diodes

Punkta diode izmanto germānija vai silīcija plāksni ar n-veida elektrisko vadītspēju (2. att.), kuras biezums ir 0,1 ... 0,6 mm un laukums ir 0,5 ... 1,5 mm 2; smaila stieple (adata), uz kuras nogulsnēts piemaisījums, nonāk saskarē ar plāksni. Šajā gadījumā piemaisījumi izkliedējas no adatas galvenajā pusvadītājā, kas rada reģionu ar cita veida elektrovadītspēju. Tādējādi adatas tuvumā veidojas miniatūrs puslodes formas p-n-krustojums.

Ražošanai germānija punktu diodes ar indiju pārklāta volframa stieple tiek piemetināta uz germānija plāksnes. Indijs ir germānija akceptors. Iegūtais p-tipa germānija reģions ir izstarotājs.

Ražošanai silīcija punktu diodes tiek izmantots n-veida silīcijs un ar alumīniju pārklāta stieple, kas kalpo kā silīcija akceptors.

Rīsi. 2 Punktu diožu ierīce

Plakanajās diodēs pn savienojumu veido divi pusvadītāji ar dažāda veida elektrovadītspēju, un savienojuma laukums y dažādi veidi diodes svārstās no kvadrātmilimetra simtdaļām līdz vairākiem desmitiem kvadrātcentimetru (jaudas diodes).

Plakanās diodes ražo ar saplūšanas (saplūšanas) vai difūzijas metodēm (3. att.).

Rīsi. 3 Izgatavota plakanu diožu ierīce

a - sakausējuma metode; b - difūzijas metode

Indija piliens apmēram 500°C temperatūrā tiek izkausēts n-veida germānija plāksnē (3.att., a), kas, sakausējot ar germāniju, veido p-tipa germānija slāni. Reģionam ar p-tipa elektrisko vadītspēju ir augstāka piemaisījumu koncentrācija nekā galvenajā plāksnē, un tāpēc tas ir emitētājs. Svina vadi tiek pielodēti pie galvenās germānijas plāksnes un indija, parasti no niķeļa. Ja par izejmateriālu ņem p-tipa germāniju, tad tajā iekausē antimonu un tad iegūst n-tipa emitera apgabalu.

Difūzijas ražošanas metode -n- pāreja ir balstīts uz faktu, ka piemaisījumu atomi difundē galvenajā pusvadītājā (3.b att.). Lai izveidotu p-slāni, tiek izmantota akceptora elementa (silīcijam bora vai alumīnija, germānijas gadījumā indija) difūzija caur izejmateriāla virsmu.

Pusvadītāju galvenie parametri diodes ir (4. att.):

Rīsi. 4 Pusvadītāju diodes IV raksturlielumi un galvenie parametri

- Diodes Ipr tiešā strāva, kas tiek normalizēta pie noteikta tiešā sprieguma (parasti Upr \u003d 1 ... 2V);

- Diodes maksimāli pieļaujamā tiešā strāva Ipr.max;

- Tiešā sprieguma kritums pāri diodei pie maksimālās tiešās strāvas Upr.max.

— maksimāli pieļaujamais apgrieztais spriegums Uobr.max, pie kura diode vēl ilgi var normāli darboties

Usample.max = ⅔ ∙ Uel.samples;

- Reversā strāva Iobr.max.pie maksimāli pieļaujamā reversā sprieguma Uobr.max;

- Diodes uz priekšu un atpakaļgaitu statiskā pretestība pie norādītajiem tiešajiem un apgrieztajiem spriegumiem:

- Diodes izkliedētā maksimālā pieļaujamā jauda Pmax, pie kuras tiek nodrošināta norādītā diodes uzticamība.

IV analīze germānija un silīcija diode parāda (5. att.).

Rīsi. 5. Diodes CVC atkarība no temperatūras:

a - germānija diodei; b - silīcija diodei

1. Sprieguma kritums garāmbraucot līdzstrāva germānija diodēm tas ir ΔUpr = (0,3…0,6)V, silīcija diodēm tas ir ΔUpr = (0,8…1,2)V.
2. Uzklājot uz pusvadītāju diodes apgrieztais spriegums tajā rodas nenozīmīga reversā strāva, pateicoties ārpusgalveno lādiņnesēju kustībai caur pn-pāreju.Palielinoties pn-pārejas temperatūrai, palielinās negalveno lādiņnesēju skaits, kas rodas pārejas dēļ. daļa elektronu no valences joslas uz vadīšanas joslu un lādiņnesēju pāru veidošanās elektronu caurums. Tāpēc diodes reversā strāva palielinās.
3. Kad diodei tiek pielikts vairāku simtu voltu apgrieztais spriegums, ārējais elektriskais lauks bloķējošā slānī kļūst tik spēcīgs, ka var izvilkt elektronus no valences joslas vadīšanas joslā (Zener efekts). Šajā gadījumā apgrieztā strāva strauji palielinās, kas izraisa diodes sildīšanu, turpmāku strāvas palielināšanos un, visbeidzot, pn krustojuma termisko sadalījumu (iznīcināšanu). Lielākā daļa diožu var droši darboties ar pretējo spriegumu, kas nepārsniedz (0,7 ... 0,8) Upprob.
4. Germānija diožu pieļaujamais reversais spriegums sasniedz - 100 ... 400 V, bet silīcija diodes - 1000 ... 1500 V.
5. Lai saglabātu germānija diodes efektivitāti, tā temperatūra nedrīkst pārsniegt + 85 ° C. Silīcija diodes var darboties temperatūrā līdz +150°C

1. Ķēžu ar diodēm aprēķins

Diodes galvenā īpašība ir tās strāvas-sprieguma raksturlielums (CVC), kura forma sakrīt ar p-n-pārejas raksturlielumu. Tā kā strāvas-sprieguma raksturlielums nav lineārs, pastāv aprēķina problēma elektriskās ķēdes satur diode. Aprēķins, kas sastāv no strāvas noteikšanas, kas iet caur diodi, tiek veikts ar trim metodēm:

1. Grafiskā metode.Šajā gadījumā ir jāizmanto grafiks par strāvas atkarību caur diode no tiešā sprieguma krituma pāri diodei. Neņemot vērā pn savienojumu apgrieztās strāvas. Lai būtu nepieciešams noteikt strāvu ķēdē, kas piedāvāta 6. attēlā (a).

Rīsi. 6: a - diodes ieslēgšana; b-VAC diode

Piedāvātajai shēmai izteiksme ir patiesa:

No šīs izteiksmes mēs izsakām spriegumu pāri diodei un strāvas vērtību:

Redzams, ka pirmā vienādība ir spēkā divu līniju krustpunktā:

f 1 (I D) \u003d U D - diodes CVC;

f 2 (I) \u003d E - I R1 ir taisna līnija, kas savieno punktu E uz sprieguma ass ar punktu E / R1 uz strāvas ass (6. att., b). Vienīgais krustpunkts ir problēmas risinājums un nosaka vienmērīgās strāvas vērtību ķēdē I D un sprieguma krituma vērtību diodē pie šīs strāvas U D.

Lai gan teorētiski grafiskā metode var nodrošināt augstu precizitāti, praksē to ir neērti lietot un aprēķinu precizitāte būs zema, jo pat viena veida diodēm ir atšķirīgi strāvas-sprieguma raksturlielumi.

Diodes analītiskā modeļa izmantošana darbības aprēķinos ir gandrīz neiespējama.

1. Vienkāršāko diožu modeļu pielietojums. Metode ir balstīta uz diodes strāvas-sprieguma raksturlieluma pa daļām lineāras aproksimācijas izmantošanu (7. att.). Strāvas vērtības aprēķina rezultāts būs precīzāks, jo vairāk visas ķēdes E pielietotais barošanas spriegums atšķiras no tiešā sprieguma krituma pāri diodei. Šī metode ir praktiski interesanta. Apsveriet divus gadījumus:
2. Ir zināma aptuvenā darbības tiešās strāvas vērtība caur diodi. Ķēdes barošanas spriegums E nedaudz vairāk tiešā sprieguma krituma pāri diodei U d (E> U d).

Punktam “a” tiek novilkta pieskare ar strāvas darbības vērtību uz I–V raksturlielumu, un tieši nospriegotā diode tiek aizstāta ar elektromotora spēka avotu (-E0) un rezistoru ar pretestību R d.p.r. Simbols diode un tai līdzvērtīgā ķēde tiešā nobīdē ir parādīta 8(a) attēlā. Šī rezistora pretestību nosaka attiecība starp sprieguma krituma pieaugumu diodē darbības punktā un atbilstošo strāvas pieaugumu caur diodi.

EMF avots vērsta pret diodes līdzstrāvu, tas ir, tā ir pret strāvu.

7. att. Diodes I–V raksturlīknes pa daļām lineāra tuvināšana

1. Ja ķēdes E barošanas spriegums daudz vairāk nekā tiešais sprieguma kritums pāri diodei (E>>U d), diodes modeli var vienkāršot un samazināt līdz emf avotam. ar spriegumu U d.pr \u003d (0,6-0,8) V, ja diode ir silīcijs vai ar spriegumu U d. pr \u003d (0,2-0,4) V, ja diode ir germānija. Diodes simbols un tai līdzvērtīgā ķēde priekšējai novirzei šajā gadījumā ir parādīti 8. (b) attēlā.

Rīsi. 8 Diodes un tās ekvivalentās ķēdes ar līdzstrāvu simbols: a - E> U d, b - E>> U d

Ar temperatūras tiešo sprieguma kritumu U d.pr ieslēgts p-n pāreja pazeminās par 2-3 mV, temperatūrai paaugstinoties par 10C. Ja ir jāņem vērā apgrieztā strāva caur diodi, tad jāatceras, ka, paaugstinoties temperatūrai uz katriem 10 0 C, germānija diodes reversā strāva dubultojas; silīcijam strāvas stiprums dubultojas. novērota ar temperatūras paaugstināšanos par katriem 7 0 C.

Pusvadītāju diodes pamatā ir R-n-pāreja, nosakot tās īpašības, raksturlielumus un parametrus. Atkarībā no dizaina iezīmēm R-n-savienojums un diode kopumā pusvadītāju diodes tiek ražotas gan diskrētās, gan integrētās versijās. Atbilstoši mērķim pusvadītāju diodes iedala taisngriežos (kā sava veida taisngrieži - jaudas), impulsa, augstfrekvences un mikroviļņu, zenera diodes, trīsslāņu komutācijas, tuneļa, varikapu, foto un gaismas diodes. Nosacīti grafiskie simboli diodes ir parādītas attēlā. 1.10.

Rīsi. 1.10 Parastie grafiskie simboli: a - taisngriezis un universāls;
b - zenera diodes; c - abpusēja zenera diode; d – tuneļa diode;
e - apgrieztas diodes; e - varicap; g - fotodiodes; h - LED

Atkarībā no sākotnējā pusvadītāju materiāla diodes iedala germānijā un silīcijā. tuneļa diodes ir izgatavoti arī uz gallija arsenīda bāzes GaAs un indija antimonīds InSb. Germānija diodes darbojas temperatūrā, kas nav augstāka par +80 °C, bet silīcija diodes - līdz +140 °C.

Pēc konstrukcijas un tehnoloģiskajām īpašībām diodes iedala plakanās un punktveida. Visizplatītākās plakanās sakausējuma diodes, kuru lietošana ir sarežģīta tikai augstākās frekvencēs. Punktu diožu priekšrocība ir p-n pārejas zemā kapacitāte, kas ļauj darboties augstās mikroviļņu frekvencēs.

Taisngriežu diodes paredzēts taisnošanai maiņstrāva zemas frekvences (50-100 000 Hz). Pašlaik silīcija taisngriežu diodes tiek plaši izmantotas ar R-n- plakana tipa krustojums ar daudzkārt mazāku reverso strāvu un lielu pretējo spriegumu, salīdzinot ar germānija.

galvenais elements taisngrieža diode ir pusvadītāju plāksne, kurā ir veidota saplūšanas vai difūzijas metode R-n- pāreja. Silīcija R-n-savienojums tiek veidots, sakausējot oriģinālo n-veida silīcija kristālu ar boru vai alumīniju. Lai aizsargātu pret ārējām ietekmēm, kā arī nodrošinātu labu siltuma izkliedi, pusvadītāju plāksne ar R-n-pāreja un divi ārējie vadi no slāņiem lpp Un n atrodas ķermenī

Taisngriežu diodes ir sadalītas mazās diodēs ( Es pr. sk. < 0,3 А), средней (0,3 А < Es pr. sk. < 10 А) и большой (Es pr.sr> 10 A) jauda. Lai palielinātu pieļaujamo reverso spriegumu, tiek ražoti augstsprieguma stabi, kuros virknē ir savienotas vairākas diodes. Turklāt komerciāli tiek ražoti taisngriežu bloki, kas satur gan virknē, gan paralēli (lai palielinātu tiešo strāvu) savienotas diodes.

Rīsi. 1.11. Punktveida diodes konstrukcija (a) un strāvas-sprieguma raksturlielums (b).

Augstas frekvences diodes ir universālas ierīces. Tie var darboties maiņstrāvas taisngriežos ar plašu frekvenču diapazonu (līdz pat vairākiem simtiem megahercu), kā arī modulatoros, detektoros un citos nelineārajos pārveidotājos. elektriskie signāli. Augstfrekvences diodes, kā likums, satur punktu R-n-pāreja, un tāpēc tos sauc par punktu. Punktu diožu tipiskā pārstāvja (D106A) dizains parādīts att. 1.11 bet, un tā strāvas-sprieguma raksturlielums ir parādīts attēlā. 1.11 b.

Strāvas-sprieguma raksturlīknes tiešā atzara neatšķiras no plakanās diodes raksturlīknes atbilstošās atzaras, ko nevar teikt, salīdzinot reversās atzarus. Kopš apgabala R-n-pāreja ir maza, tad reversā strāva ir maza, bet piesātinājuma laukums praktiski nav izteikts, un noplūdes strāvu un termiskās ģenerācijas dēļ apgrieztā strāva palielinās vienmērīgi. Punktveida diožu pastāvīgo līdzstrāvu vērtības nepārsniedz desmitiem miliampēru, un pieļaujamo reverso spriegumu vērtības ir 100 V. Neliela statiskās kapacitātes vērtība NO e starp punktveida diožu tapām (mazs savienojuma laukums) ļauj tās izmantot plašā frekvenču diapazonā. Pēc frekvences īpašībām punktveida diodes iedala divās apakšgrupās: HF ( fmax? 300 MHz) un mikroviļņu krāsni ( f magone no? 300 MHz). Papildus statiskajai kapacitātei NO Punktu diodēm ir tādi paši parametri kā taisngriežiem.

Impulsu diodes ir augstfrekvences diodes veids un ir paredzēti izmantošanai kā galvenie elementi ātrgaitas komutācijas shēmās. Papildus augstfrekvences īpašībām, ieslēdzot un izslēdzot impulsu diodēm, ir jābūt minimālam pārejas ilgumam. Tiek ražotas punktveida un plakanās diodes. Impulsu diožu vispārējais dizains, kā arī to strāvas sprieguma raksturlielumi ir gandrīz tādi paši kā augstfrekvences diožu.

Tāpat kā taisngriežus, arī impulsu diodēm ir raksturīgi statiski parametri, kā arī ierobežojošā režīma parametri. Galvenie no tiem ir impulsa parametri: C d Un t atjaunot- diodes bloķēšanas īpašību atjaunošanas laiks pēc tiešā sprieguma noņemšanas.

Zenera diodes - tās ir silīcija plaknes diodes, kas paredzētas līmeņa stabilizēšanai pastāvīgs spriegumsķēdē, kad strāva caur diodi mainās noteiktās robežās. Tā ir pusvadītāju diode, kas paredzēta darbam elektriskās avārijas režīmā. Kā norādīts sektā. 1.2, ja apgrieztais spriegums pārsniedz vērtību U arr. utt , tad notiek lavīna R-n- pāreja,

pie kuras apgrieztā strāva strauji palielinās ar gandrīz nemainīgu pretējo spriegumu. Šāda raksturlieluma sadaļa (sadaļa ab, sk. 1.8. att., bet) izmanto Zener diodes, kuru parastā iekļaušana līdzstrāvas sprieguma avota ķēdē ir pretēja (skat. 1.8. att., b). Ja reversā strāva caur Zener diodi nepārsniedz noteiktu vērtību I st. Maks, tad elektriskās avārijas stāvoklis neizraisa diodes bojājumus un to var reproducēt desmitiem un simtiem tūkstošu stundu. Silīciju izmanto kā izejmateriālu zenera diožu ražošanā, jo silīcija apgrieztās strāvas R-n- pārejas ir mazas, un tāpēc nav apstākļu pusvadītāja pašsildīšanai un termiskai sabrukšanai R-n- pāreja.

Zener diožu galvenie parametri ietver stabilizācijas spriegumu
U st- Zenera diodes spriegums norādītajā nominālā strāva stabilizācija I st. nom (skat. 1.8. att., bet). Neatkarīgi no I st. nom norāda arī minimumu I st. min un maksimums I st. Maks strāvu vērtības stabilizācijas sadaļā. Stabilizācijas sprieguma līmeni nosaka pārrāvuma spriegums U arr. utt, kas savukārt ir atkarīgs no platuma R-n-pāreja un līdz ar to arī silīcija ar piemaisījumu dopinga pakāpe. Lai iegūtu zemsprieguma Zener diodes, tiek izmantots stipri leģēts silīcijs. Tāpēc Zener diodēm ar stabilizācijas spriegumu<5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Shēma attēlā. 1.8 b izskaidro vienkāršākā līdzstrāvas sprieguma stabilizatora darbības principu. Ieejas sprieguma palielināšana tu iekšā noved pie strāvas palielināšanās caur Zenera diodi un pretestību R. Pārmērīgs ieejas spriegums tiek piešķirts R, un spriedzi tu esi ārā paliek praktiski nemainīgs.

Varicap ir īpaši izstrādāta pusvadītāju diode, ko izmanto kā mainīgu kondensatoru. Varikapa kapacitātes vērtību nosaka tā kapacitāte R-n-pāreja un izmaiņas, mainoties pārejai (diodei) pievadītajam spriegumam.

Kā minēts iepriekš (sk. 1.2. nodaļu), novirzīts uz priekšu R-n-pāreju jo īpaši raksturo difūzijas kapacitāte, un reverso nobīdi - ar barjeras kapacitāti. Varicaps izmanto barjeras kapacitāti (izteiksme 1,12), ko raksturo zems temperatūras koeficients, zems iekšējā trokšņa līmenis un vāja frekvences atkarība. Tāpēc darba režīmā

varikapam tiek pielikts bloķējošs ārējais spriegums. Jo biezums lpp-n-pāreja ir atkarīga no pielietotā ārējā sprieguma lieluma U, tad, mainot pēdējo, varat pielāgot kapacitātes vērtību. To jo īpaši izmanto, lai televizoros un radio noregulētu vēlamo kanālu.

Varikapu galvenie parametri ir: nominālā jauda Ar nom, noteikts pie nominālā nobīdes sprieguma ( U nom= 4 V), maksimums Ar magonēm c un minimums No min kapacitāte attiecīgi pie maksimālā un minimālā nobīdes sprieguma (vai kapacitātes pārklāšanās koeficienta K s=C max / C min), kvalitātes faktors J, kā arī U arr.maks.

Fotodiode – pusvadītāju fotoelementu ierīce ar iekšēju fotoefektu, kas parāda gaismas enerģijas pārvēršanas procesu elektroenerģijā. Iekšējais fotoelektriskais efekts slēpjas faktā, ka gaismas starojuma enerģijas ietekmē reģionā lpp-n-notiek pāreja, galvenās vielas atomu un piemaisījumu jonizācija, kā rezultātā rodas lādiņnesēju pāri – elektrons un caurums. Ārējā ķēdē, kas savienota ar R-n-pāreja, ir strāva, ko izraisa šo nesēju kustība (fotostrāva).

Fotodiodes var darboties divos režīmos: vārsts (fotoģenerators) un fotodiode (fotopārveidotājs). Atšķirībā no vārtiem, fotodiodes režīmam ir nepieciešams ārējs barošanas avots (novirze).

Kad saskaras divi pusvadītāji n- Un R-tipiem uz to kopējās robežas tiek izveidota kontakta potenciāla atšķirība . Ja nav gaismas plūsmas un slodzes, difūzijas strāvas komponents R-n-krustojums ir līdzsvarots ar strāvas novirzes komponentu, tāpēc kopējā strāva caur krustojumu ir nulle.

Apgaismojot pusvadītāju reģionā R-n-pāreja, tiek ģenerēti papildu lādiņu nesēju pāri. Kosmosa lādiņa lauks R-n-pāreja "atdala" šos pārus: ieplūst caurumi R-reģions, un elektroni - iekšā n-platība, t.i., ir radusies papildu mazo pārvadātāju kustība. Rezultātā strāvu dreifēšanas komponentu blīvumi, kas definēti ar vienādībām (1.8), (1.9), palielinās, un līdz ar to dreifējošā strāva saņem noteiktu pieaugumu, ko sauc par fotostrāvu. es f. Šajā gadījumā kopējā dreifējošā strāva saskaņā ar izteiksmi (1.10) ir termiskā strāva eso mazo pārvadātāju dēļ, ja nav apgaismojuma. Tā kā pusvadītāju reģionā lpp-tipa, uzkrājas liekie nesēji ar pozitīvu lādiņu, un pusvadītāja reģionā n-tips - ar negatīvu lādiņu, tad starp ārējiem elektrodiem parādās potenciāla atšķirība, kas ir fotoEMF E f. Šis EML samazina potenciālās barjeras augstumu, tādējādi palielinot strāvas difūzijas komponentu. FotoEMF nepārsniedz vērtību, kas skaitliski vienāda ar pusvadītāja joslas spraugu. Šo režīmu jo īpaši izmanto saules baterijās.

Gaismas diodes (elektroluminiscences diodes) pārvērš elektriskā lauka enerģiju netermiskā optiskā starojumā, ko sauc par elektroluminiscenci. Gaismas diodes pamatā ir R-n krustojums, kas nobīdīts ar ārēju sprieguma avotu vadošā virzienā. Ar šo pārvietojumu elektroni no n- tiek ievadīti pusvadītāju apgabali R-apgabals, kurā tie ir mazākuma nesēji, un caurumi – pretējā virzienā. Pēc tam notiek lieko mazākuma nesēju rekombinācija ar pretējās zīmes elektriskajiem lādiņiem. Elektrona un cauruma rekombinācija atbilst elektrona pārejai no enerģijas līmeņa Viņa līmeņa enerģētiskajā stāvoklī E y ar mazāku enerģiju.

Germānijā un silīcijā joslas sprauga ir salīdzinoši neliela, un tāpēc rekombinācijas laikā izdalītā enerģija tiek pārnesta galvenajā kristāla režģī siltuma veidā. Rekombinācijas procesi gallija arsenīdā ( GaAs), gallija fosfīds ( Plaisa), silīcija karbīds ( SiC), kam ir liela joslas atstarpe (piemēram, priekš GaAsA?\u003d 1,38 eV), pavada enerģijas izdalīšanās gaismas kvantu veidā, ko daļēji absorbē pusvadītāja tilpums un daļēji izstaro apkārtējā telpā. Tāpēc ārējā kvantu raža, vizuāli fiksēta, vienmēr ir mazāka par iekšējo.

Gaismas diožu galvenie raksturlielumi ir strāvas-sprieguma raksturlielums, kā arī starojuma jaudas un spilgtuma atkarība no tiešās strāvas lieluma. Starojuma jaudu un spilgtumu lielā mērā nosaka LED dizains. Jo vairāk strāvas var izlaist cauri diodi ar tās pieļaujamo sildīšanu, jo lielāka ir starojuma jauda un spilgtums.

Gaismas diodes galvenie parametri ietver starojuma jaudu R, izstarotās gaismas viļņa garums l un efektivitāti. Gaismas viļņa garums, kas nosaka mirdzuma krāsu, ir atkarīgs no enerģiju atšķirības, starp kurām notiek elektronu pāreja.

Gaismas diodes tiek izmantotas, lai norādītu un parādītu informāciju mikroelektroniskajās ierīcēs. Kontrolējamās gaismas diodes (ar kustīgu gaismas lauka apmali) tiek izmantotas, lai aizstātu rādītāju ierīces kā optisko indikatoru analogus radioiekārtu regulēšanai. Gaismas diodes ar vairākiem gaismas laukiem ļauj reproducēt skaitļus no 0 līdz 9. Turklāt gaismas diodes tiek izmantotas kā starojuma avoti optocoupleros - strauji attīstošās optoelektronikas ierīcēs.

tuneļa diode ir pusvadītāju diode, kas izmanto tuneļa sabrukšanas fenomenu, kad to ieslēdz virzienā uz priekšu. Tuneļa diodes raksturīga iezīme ir sekcijas klātbūtne ar negatīvu diferenciālo pretestību strāvas-sprieguma raksturlīknes tiešajā atzarā.

Piemēram, attēlā. 1.12 parāda germānija tuneļa pastiprināšanas diodes 1I104A strāvas-sprieguma raksturlīknes tiešo atzaru ( I pr.maks= 1 mA - tiešā uz priekšu strāva, U arr.maks= 20 mV), kas paredzēti pastiprināšanai viļņu garuma diapazonā no 2 ... 10 cm (tas atbilst frekvencei, kas lielāka par 1 GHz).

Diodes kopējā kapacitāte raksturlīknes minimālajā punktā ir 0,8 ... 1,9 pF. Tuneļdiodes var darboties ļoti augstās frekvencēs – virs 1 GHz. Sekcijas klātbūtne ar negatīvu diferenciālo pretestību strāvas-sprieguma raksturlīknē ļauj izmantot tuneļa diodes kā pastiprinošo elementu un kā ģeneratoru galveno elementu. Pašlaik tuneļdiodes tiek izmantotas tieši šādā kapacitātē mikroviļņu reģionā.

Diode - Šī ir elektriski pārveidojoša pusvadītāju ierīce (PP) ar vienu elektrisko savienojumu un diviem vadiem (3.1. att.).

Rīsi. 3.1. pusvadītāju diodes ierīce

Pamatne B un emitētājs E ir savienoti ar metāla spailēm B ar pamatnes BE un emitera EE elektrodu palīdzību, kas nodrošina omiskus kontaktus ar n- un p-reģioniem, caur kuriem diode tiek pievienota ārējai ķēdei.

Lielākajai daļai diožu darbības princips ir balstīts uz fizisku parādību izmantošanu elektriskajā savienojumā, piemēram, strāvas-sprieguma raksturlīknes asimetriju, elektronu caurumu savienojuma sadalījumu, barjeras kapacitātes atkarību no sprieguma utt. .

Ir diodes:

atkarībā no galamērķa :

• taisngriezis;
• Zenera diodes;
• varikaps;
• tunelis;
• impulss utt.;

atbilstoši izmantotajiem izejmateriāliem :

• germānija;
• silīcijs;
• no gallija arsenīda;

pēc ražošanas tehnoloģijas :

• peldošs;
• difūzija;
• plakans;

pēc frekvenču diapazona :

• zemas frekvences;
• augsta frekvence;
• mikroviļņu diodes (mikroviļņu diodes);

pēc p-n krustojuma veida :

• plakans;
• punktu.

plakana sauc par p-n-krustu, kura lineārie izmēri, kas nosaka tā laukumu, ir daudz lielāki par biezumu. Punktu pārejas ir pārejas, kuru izmēri, kas nosaka to laukumu, ir mazāki par telpas lādiņa apgabala biezumu.

Zemas un vidējas jaudas plakanās diodes parasti izgatavo ar leģētu p-n savienojumu. Leģēto p-n savienojumu germānija diodēs (3.2. att.) iegūst, sakausējot piemaisījumu akceptora elementa (indija) tableti n-veida germānija kristālā. Šajā gadījumā izkausētais indijs daļēji izkliedējas germānijā, nodrošinot cauruma vadītspēju tuvākajam germānija kristāla reģionam. Reģionam ar caurumu vadītspēju (p-veida) ir ļoti zema pretestība, un tas ir izstarotājs attiecībā pret augstākas pretestības n-veida pusvadītāju kristālu - diodes pamatni. Germānija plakanās diodes ierīce ir parādīta attēlā. 3.2. Silīcija plakanās diodes iegūst, sakausējot alumīniju silīcija kristālā. Silīcija un germānija diodes ir izgatavotas metinātā metāla korpusā ar stikla izolatoriem un elastīgiem vadiem.

Lieljaudas plakanajās diodēs p-n pāreju biežāk veic difūzijas ceļā no piemaisījumu atomu gāzes fāzes pusvadītāju kristālā. Difūzijas metode nodrošina labāku diodes parametru reproducējamību. Strāvas diodes bieži tiek izgatavotas ar dzesēšanas radiatoriem.

Rīsi. 3.2. Diodes ierīce: a - plakana; b - punkts

IN punktu diodes (3.2. att., b), veidojas taisnojošs p-n pāreja starp kontaktatsperes metāla galu (diametrs 10 ... 20 mikroni) un pusvadītāju kristālu, parasti n-veida. Pāreja tiek izveidota, laižot cauri diodi īsus un spēcīgus līdzstrāvas impulsus. Šajā gadījumā kontaktatsperes gals tiek sakausēts ar kristālu, un tuvu saplūšanas punktam, pateicoties gala izkausētā metāla difūzijai kristālā, tiek iegūts p veida pusvadītāja apgabals. Tā kā p-n krustojuma laukums ir mazs, tiek ražotas punktveida diodes zemām strāvām.

Rīsi. 3.3. Voltu-ampēru raksturlielumi: 1 - n-p-pāreja, 2 - diodes

Nedaudz atšķiras n-p pārejas un pusvadītāju diodes (3.3. att.) teorētiskie strāvas-sprieguma raksturlielumi. Līdzstrāvu reģionā tas izskaidrojams ar to, ka daļa no ārējā sprieguma, kas tiek pievadīts uz diodes spailēm, krīt uz bāzes tilpuma omisko pretestību (rb), ko nosaka tās ģeometriskie izmēri un avota pretestība. materiāls. Tās vērtība var svārstīties no vienībām līdz vairākiem desmitiem omu. Sprieguma kritums pāri pretestībai r b kļūst ievērojams, ja strāva pārsniedz dažus miliamperus. Turklāt daļa sprieguma krītas pāri svina pretestībai. Rezultātā spriegums tieši np krustojumā būs mazāks nekā spriegums, kas tiek pievadīts diodes ārējiem vadiem. Reālais raksturlielums ir zemāks par teorētisko un kļūst gandrīz lineārs. Reālo CVC tiešo spriegumu reģionā apraksta ar izteiksmi:

Tādējādi diodei pievadītais spriegums ir:

U eb \u003d I r b + U pn.

Jāņem vērā, ka bāzes pretestība (r b) ir atkarīga no diodes tiešās strāvas lieluma, tāpēc strāvas-sprieguma raksturlielums lielu strāvu reģionā ir nelineāra funkcija.

Palielinoties reversajam spriegumam, diodes strāva nepaliek nemainīga un vienāda ar strāvu I 0. Viens no strāvas pieauguma iemesliem ir lādiņnesēju termiskā ģenerēšana krustojumā, kas netika ņemta vērā, veidojot teorētiskā CVC izteiksmi. Apgrieztās strāvas komponentu caur krustojumu, kas ir atkarīgs no savienojumā ģenerēto nesēju skaita, sauc. termoģenerācijas strāva (I tg) . Palielinoties reversajam spriegumam, krustojums paplašinās, palielinās tajā radīto nesēju skaits, kā arī palielinās strāva Itg.

Vēl viens apgrieztās strāvas palielināšanās iemesls ir kristāla virsmas ierobežotā vadītspēja, no kuras izgatavota diode. Šo strāvu sauc noplūdes strāva (I y). Mūsdienu diodēs tas vienmēr ir mazāks par termisko strāvu. Tādējādi apgrieztā strāva diodē, ko apzīmē ar I arr, tiek definēta kā strāvu summa:

I arr \u003d I 0 + I tg + I g.

Katram diodes veidam ir raksturīgi parametri - daudzumi, kas nosaka ierīču galvenās īpašības, un tiem ir arī strāvas-sprieguma raksturlielumi, kas atšķiras no citiem. Ir parametri, kas raksturo jebkuru pusvadītāju diode, un īpaši parametri, kas raksturīgi tikai atsevišķām diodēm.

Pusvadītāju diodēm ir šādas īpašības galvenie parametri :

• pastāvīga diodes reversā strāva (I arr) - tiešās strāvas vērtība, kas plūst caur diodi pretējā virzienā pie noteiktā apgrieztā sprieguma;
• pastāvīgais diodes reversais spriegums (U arr) - diodei pretējā virzienā pievadītā nemainīgā sprieguma vērtība;
• pastāvīga diodes priekšējā strāva (I pr) - tiešās strāvas vērtība, kas plūst caur diodi virzienā uz priekšu;
• diodes pastāvīgs tiešais spriegums (U pr) - diodes pastāvīgā sprieguma vērtība pie noteiktas konstantas tiešās strāvas;

Diožu ierobežojošo darbības režīmu raksturo maksimāli pieļaujamie parametri – parametri, kas nodrošina noteikto uzticamību un kuru vērtības nedrīkst pārsniegt nekādos darbības apstākļos:

• maksimālā pieļaujamā jaudas izkliede (P max);
• maksimāli pieļaujamā līdzstrāva (I pr. max), kuras vērtību ierobežo pn pārejas sildīšana;
• maksimālais pieļaujamais tiešais reversais spriegums (U arr. max);
• diferenciālā pretestība (r diff);
• minimālā (T min) un maksimālā (T max) apkārtējās vides temperatūra diodes darbībai.

Pieļaujamo jaudas izkliedi (P max) nosaka diodes termiskā pretestība (R t), pieļaujamā savienojuma temperatūra (T p max) un apkārtējās vides temperatūra (T o) saskaņā ar sakarību:

Maksimāli pieļaujamo tiešās strāvas stiprumu var noteikt pēc noteiktas maksimālās pieļaujamās jaudas:

Reversais maksimālais pieļaujamais spriegums (U arr. max) dažāda veida diodēm var būt no vairākām vienībām līdz desmitiem tūkstošu voltu. To ierobežo pārrāvuma spriegums:

U arr max ? 0,8 U tests.

Diferenciālā pretestība (r diff) ir vienāda ar diodes sprieguma pieauguma attiecību pret mazo strāvas pieaugumu caur diode, kas to izraisīja:

Pretestība r diff ir atkarīga no diodes darbības režīma.

Minimālā apkārtējās vides temperatūra (T min), pie kuras var darbināt pusvadītāju diodes, parasti ir -60°C. Zemākā temperatūrā pusvadītāju kristālu un diožu konstrukcijas elementu elektriskās un mehāniskās īpašības pasliktinās.

Germānija diodēm maksimālā temperatūra ir Tmax = +70 °C. Kramam tas var sasniegt +150 °C. Augstākā temperatūrā pusvadītājs deģenerējas: vairākuma un mazākuma nesēju koncentrācija kļūst vienāda, pārejai vairs nav vienvirziena vadītspējas īpašību.

Diožu apzīmējums sastāv no sešām rakstzīmēm:

• pirmā rakstzīme (burts vai cipars) norāda diodes materiālu (skaitlis norāda diodes, kas var izturēt augstāku temperatūru):

G vai 1 - germānija;
K vai 2 - silīcijs;
A vai 3 - gallija savienojumi;

• otrā rakstzīme (burts) norāda armatūras apakšklasi:

• trešā rakstzīme (skaitlis) norāda klasifikācijas numuru, pēc kura šī tipa diodes izšķir (piemēram: 1 - mazjaudas, 2 - vidējas jaudas, 3 - lielas jaudas, 4 - universālas utt.).
• ceturtā un piektā rakstzīme (cipari) norāda izstrādes kārtas numuru (no 1 līdz 99).
• sestā rakstzīme (burts) norāda uz atšķirību parametros, kas nav klasificējami.

Pusvadītāju diodēm ar maziem iepakojuma izmēriem krāsu marķējums tiek izmantots uz ierīces korpusa uzlikto atzīmju veidā.

Pusvadītāju diode vai pusvadītāju vārsts ir ierīce, kas paredzēta dažu elektrisko lielumu pārvēršanai citos elektriskos lielumos, kam ir elektronu caurumu savienojums. Diodei ir divi ārējie vadi.

Germānija un silīcija diodēs tiek izmantotas parādības, kas notiek pārejās starp germānija kristāla reģionu ar -vadītspēju un reģionu ar -vadītspēju. Tie ir izgatavoti smailā, mikroplaknē un plaknē.

Rīsi. 17-6. Germānija punkta vārsts.

Rīsi. 17-7. Voltu-ampēru raksturlielums germānija punkta vārstam.

Punkta germānija diode (17.-6. att.) sastāv no stikla (vai stikla-metāla) trauka ar diametru aptuveni 3 un garumu 9 mm, kurā ir ielodēti divi vadītāju vadi, viena galā. ir fiksēts germānija kristāls 1 ar -vadītspēju, otra galā - tieva smailā stieple - adata 2 no indija.

Rīsi. 17-8. Ģermānija plakanais vārsts D-7 tips.

Bloķējošais slānis (-savienojums) veidojas diodes veidošanas procesā pārraides laikā; strāvas impulsi, kuru ietekmē indija atomi izkliedējas germānija kristālā, veidojot tajā puslodes apgabalu (17.-6.att.) ar caurumu vadītspēju. Šī vārsta maksimālā tiešā strāva ir 16 mA, maksimālais pieļaujamais reversais spriegums ir 50 V. Vārsta strāvas-sprieguma raksturlielums ir parādīts att. 17-7.

Mikroplakņu diodes atšķiras no punktveida diodēm ar nedaudz lielāku savienojuma virsmu.

Plakanais vārsts (17.-8. att., a) sastāv no germānija plāksnes 1 ar arsēna vai antimona piejaukumu, kam ir elektroniska vadītspēja, un indija tabletēm 2. Izgatavojot diode, tās uzkarsē līdz temperatūrai apmēram 500 ° C, pie kuras indija tablete kūst, tās atomi izkliedējas germānijā, veidojot 2a reģionu (17.-8. att., a) ar cauruma vadītspēju. Uz divu apgabalu robežas tiek izveidota -pāreja.

Uz att. 17-8, b parāda vienas plakanās germānijas diodes ierīci.

Rīsi. 17-9. Plakana vārsta voltu-ampēru raksturlielums.

Rīsi. 17-10. VK-100 tipa silīcija diode.

4. vadītājs ar germānija kristālu 1, kas atrodas galā, ir nostiprināts metāla korpusā 5. Indija elektrods 2 ir savienots ar vienu no spailēm 7 ar vadītāju 3, kas iet caur izolatoru 6. Vārsta rektificētā maksimālā strāva ir 300 mA, maksimālais pieļaujamais reversais spriegums ir 50 V. zīm. 17-9 ir dots plakanā vārsta volt-ampērs raksturlielums.

Germānija diodes pieļauj strāvas blīvumu līdz 100 A/cm2 pie tiešā sprieguma līdz 0,8 V. Darba temperatūra C.

Silīcija taisngriežu diodes tiek izgatavotas, sakausējot alumīniju silīcijā. Šīm diodēm strāvas blīvums sasniedz 200 A / cm2 ar tiešo spriegumu līdz 1-1,2 V. Darba strāva ir līdz 1000 A, pieļaujamais reversais spriegums parasti ir 700-800 V, dažreiz vairāk par 1000 V.

Silīcija vārstos apgrieztā strāva ir vairākas kārtas. mazāk nekā germānija. Darba temperatūra -60 - +150° C. Zīm. 17-10 parāda gaisa dzesēšanu VK-100 silīcija diode ar nominālo strāvu 100 A.

3. TĒMA. PUSVADĪTĀJU DIODES

Pusvadītāju diode ir elektriski pārveidojoša pusvadītāju ierīce ar vienu elektrisko savienojumu un diviem vadiem, kas izmanto p-n savienojuma īpašības.

Pusvadītāju diodes tiek klasificētas:

1) pēc mērķa: taisngriezis, augstfrekvences un mikroviļņu (HF un mikroviļņu diodes), impulsu, pusvadītāju zenera diodes (atsauces diodes), tunelis, apgriezts, varikaps utt.;

2) pēc konstrukcijas un tehnoloģiskajām pazīmēm: plakanā un smailā;

3) pēc izejmateriāla veida: germānija, silīcijs, arsenīds - gallijs u.c.

Attēls 3.1 - Punktu diožu ierīce

Punkta diode izmanto germānija vai silīcija plāksni ar n-veida elektrovadītspēju (3.1. att.), 0,1 ... 0,6 mm biezu un 0,5 ... 1,5 mm2 laukumu; smaila stieple (adata), uz kuras nogulsnēts piemaisījums, nonāk saskarē ar plāksni. Šajā gadījumā piemaisījumi izkliedējas no adatas galvenajā pusvadītājā, kas rada reģionu ar cita veida elektrovadītspēju. Tādējādi adatas tuvumā veidojas miniatūrs puslodes formas p-n-krustojums.

Germānija punktveida diožu ražošanai ar indiju pārklāta volframa stieple tiek metināta uz germānija plāksnes. Indijs ir germānija akceptors. Iegūtais p-tipa germānija reģions ir izstarotājs.

Silīcija punktveida diodes ir izgatavotas no n-veida silīcija un stieples, kas pārklātas ar alumīniju, kas kalpo kā silīcija akceptors.

Plakanajās diodēs pn savienojumu veido divi pusvadītāji ar dažāda veida elektrovadītspēju, un savienojuma laukums dažāda veida diodēm svārstās no kvadrātmilimetra simtdaļām līdz vairākiem desmitiem kvadrātcentimetru (jaudas diodēm).

Plakanās diodes tiek ražotas ar saplūšanas (saplūšanas) vai difūzijas metodēm (3.2. att.).

3.2. attēls. Plakano diožu ierīce, kas izgatavota ar sakausējumu (a) un difūzijas metodi (b)

Indija pilienu apmēram 500 ° C temperatūrā izkausē n-veida germānija plāksnē (3.2. att., a), kas, sakausējot ar germāniju, veido p-tipa germānija slāni. Reģionam ar p-tipa elektrisko vadītspēju ir augstāka piemaisījumu koncentrācija nekā galvenajā plāksnē, un tāpēc tas ir emitētājs. Svina vadi tiek pielodēti pie galvenās germānijas plāksnes un indija, parasti no niķeļa. Ja par izejmateriālu ņem p-tipa germāniju, tad tajā iekausē antimonu un tad iegūst n-tipa emitera apgabalu.

Difūzijas metode p-n savienojuma izgatavošanai ir balstīta uz faktu, ka piemaisījumu atomi difundē galvenajā pusvadītājā (3.2. att., b). Lai izveidotu p-slāni, tiek izmantota akceptora elementa (silīcijam bora vai alumīnija, germānijas gadījumā indija) difūzija caur izejmateriāla virsmu.

3.1 Taisngriežu diodes

Taisngrieža pusvadītāju diode ir pusvadītāju diode, kas paredzēta maiņstrāvas pārvēršanai līdzstrāvā.

Taisngriežu diodes ir izgatavotas, pamatojoties uz p-n-pāreju, un tām ir divi apgabali, no kuriem viens ir vairāk pretestības (satur augstu piemaisījumu koncentrāciju), un to sauc par emitētāju. Cita zona, bāze, ir ar lielāku pretestību (satur mazāku piemaisījumu koncentrāciju).

Taisngriežu diožu darbība balstās uz pn krustojuma vienpusējas vadītspējas īpašību, kas slēpjas faktā, ka pēdējais labi vada strāvu (ar zemu pretestību), kad tas ir tieši ieslēgts un praktiski nevada strāvu (ir ļoti spēcīga). augsta pretestība), kad to atkal ieslēdz.

Kā zināms, diodes tiešo strāvu rada galvenais, bet pretējo - negalveno lādiņu nesēju. Lielāko lādiņu nesēju koncentrācija ir par vairākām kārtām lielāka par nelielo nesēju koncentrāciju, kas nosaka diodes vārtu īpašības.

Galvenie taisngriežu pusvadītāju diožu parametri ir:

diodes Ipr līdzstrāva, kas tiek normalizēta pie noteikta tiešā sprieguma (parasti Upr = 1 ... 2V);

Maksimāli pieļaujamā tiešās strāvas Ipr max diode;

maksimālais pieļaujamais diodes reversais spriegums Urev max, pie kura diode joprojām var normāli darboties ilgu laiku;

· tiešā reversā strāva Iobr, kas plūst caur diodi ar pretējo spriegumu, kas vienāds ar Uobr max;

vidējā rektificētā strāva Ivp.sr, kas ilgstoši var iziet cauri diodei pieņemamā tās sildīšanas temperatūrā;

· maksimālā pieļaujamā diodes izkliedētā jauda Pmax, pie kuras tiek nodrošināta norādītā diodes uzticamība.

Pēc maksimālās pieļaujamās vidējās rektificētās strāvas vērtības diodes iedala mazjaudas (Ivp.sr £ 0,3A), vidējas jaudas (0,3A) 10A).

Lai saglabātu germānija diodes efektivitāti, tā temperatūra nedrīkst pārsniegt + 85 ° C. Silīcija diodes var darboties temperatūrā līdz +150°C.

3.3. attēls - Pusvadītāju diodes volt-ampēru raksturlielumu izmaiņas no temperatūras: a - germānija diodei; b - silīcija diodei

Sprieguma kritums, virzot strāvu uz priekšu germānija diodēm, ir DUpr \u003d 0,3 ... 0,6 V, silīcija diodēm - DUpr \u003d 0,8 ... 1,2 V. Lieli sprieguma kritumi tiešās strāvas pārejā caur silīcija diodēm, salīdzinot ar tiešā sprieguma kritumu germānija diodēs, ir saistīti ar silīcijā izveidoto pn savienojumu augstāku potenciāla barjeru.

Palielinoties temperatūrai, tiešā sprieguma kritums samazinās, kas ir saistīts ar potenciālās barjeras augstuma samazināšanos.

Ja pusvadītāju diodei tiek pielikts apgrieztais spriegums, tajā rodas neliela apgrieztā strāva, kas saistīta ar negalveno lādiņu nesēju kustību caur pn savienojumu.

Palielinoties p-n-pārejas temperatūrai, palielinās mazāko lādiņu nesēju skaits, jo daļa elektronu pāriet no valences joslas uz vadīšanas joslu un veidojas elektronu caurumu lādiņnesēju pāri. Tāpēc diodes reversā strāva palielinās.

Kad diodei tiek pielikts vairāku simtu voltu apgrieztais spriegums, ārējais elektriskais lauks bloķējošā slānī kļūst tik spēcīgs, ka var izvilkt elektronus no valences joslas vadīšanas joslā (Zener efekts). Šajā gadījumā apgrieztā strāva strauji palielinās, kas izraisa diodes sildīšanu, turpmāku strāvas palielināšanos un, visbeidzot, pn krustojuma termisko sadalījumu (iznīcināšanu). Lielākā daļa diožu var droši darboties ar pretējo spriegumu, kas nepārsniedz (0,7 ... 0,8) Upprob.

Germānija diožu pieļaujamais reversais spriegums sasniedz - 100 ... 400 V, bet silīcija diodes - 1000 ... 1500 V.

Vairākās jaudīgās pārveidotāju instalācijās prasības tiešās strāvas un reversās sprieguma vidējai vērtībai pārsniedz esošo diožu parametru nominālvērtību. Šajos gadījumos problēma tiek atrisināta ar diožu paralēlu vai virknes savienojumu.

Diožu paralēlais savienojums tiek izmantots, ja nepieciešams iegūt līdzstrāvu, kas ir lielāka par vienas diodes strāvas ierobežojumu. Bet, ja viena veida diodes ir vienkārši savienotas paralēli, tad I–V raksturlielumu tiešo atzaru neatbilstības dēļ tās tiks noslogotas atšķirīgi, un dažos gadījumos līdzstrāva būs lielāka par robežu.

Attēls 3.4 - Taisngriežu diožu paralēlais savienojums

Strāvu izlīdzināšanai izmanto diodes ar nelielu atšķirību I–V raksturlīkņu tiešajos zaros (tās izvēlas) vai virknē ar diodēm tiek savienoti izlīdzinošie rezistori ar omu vienību pretestību. Dažreiz tiek iekļauti papildu rezistori (3.4. att., c) ar pretestību, kas vairākas reizes lielāka par diožu tiešo pretestību, tā ka strāvu katrā diodē nosaka galvenokārt pretestība Rd, t.i. Rd>>rpr vd. Rd vērtība ir simtiem omu.

Diožu seriālais savienojums tiek izmantots, lai palielinātu kopējo pieļaujamo reverso spriegumu. Kad tiek pielikts apgrieztais spriegums, caur virknē savienotajām diodēm plūst tāda pati reversā strāva Iobr. tomēr IV raksturlielumu reverso atzaru atšķirību dēļ kopējais spriegums pa diodēm tiks sadalīts nevienmērīgi. Diodei, kurā I–V raksturlīknes reversais atzars ir augstāks, tiks pielikts lielāks spriegums. Tas var būt augstāks par robežu, kas izraisīs diožu bojājumus.

Attēls 3.5 - Taisngriežu diožu sērijveida savienojums

Lai apgrieztais spriegums starp diodēm tiktu vienmērīgi sadalīts neatkarīgi no to pretestības, diodes tiek šuntētas ar rezistoriem. Rezistoru pretestībām Rsh jābūt vienādām un ievērojami mazākām par mazāko no diožu reversajām pretestībām Rsh<

3.2 Zenera diodes

Pusvadītāju zenera diode ir pusvadītāju diode, kuras spriegums elektriskā sadalījuma reģionā ir vāji atkarīgs no strāvas un tiek izmantots sprieguma stabilizēšanai.

Pusvadītāju zenera diodes izmanto īpašību nelielas pretējās sprieguma izmaiņas p-n krustojumā elektriskās (lavīnas vai tuneļa) pārrāvuma laikā. Tas ir saistīts ar faktu, ka neliels sprieguma pieaugums pn krustojumā elektriskā pārrāvuma režīmā izraisa intensīvāku lādiņnesēju ģenerēšanu un ievērojamu pretstrāvas pieaugumu.

Zemsprieguma Zener diodes ir izgatavotas, pamatojoties uz stipri leģētu (zemas pretestības) materiālu. Šajā gadījumā veidojas šaurs plaknes krustojums, kurā pie relatīvi zemiem reversajiem spriegumiem (mazāk par 6 V) notiek tuneļa elektriskais pārrāvums. Augstsprieguma zenera diodes ir izgatavotas uz viegli leģēta (augstas pretestības) materiāla bāzes. Tāpēc to darbības princips ir saistīts ar lavīnas elektrisko bojājumu.

Zenera diožu galvenie parametri:

stabilizācijas spriegums Ust (Ust = 1 ... 1000V);

Minimālās Ist min un maksimālās Ist max stabilizācijas strāvas (Ist min "1,0 ... 10mA, Ist max" 0,05 ... 2,0A);

maksimālā pieļaujamā izkliedētā jauda Rmax;

diferenciālā pretestība stabilizācijas sekcijā rd = DUst / DIst, (rd" 0,5 ... 200 Ohm);

sprieguma temperatūras koeficients stabilizācijas sekcijā:

Zenera diodes TKU parāda, cik daudz mainīsies stabilizējošais spriegums, kad pusvadītāja temperatūra mainīsies par 1 ° C

(TKU= -0,5…+0,2%/°С).

3.6. attēls. Zenera diodes voltu ampēru raksturlielums un tās parastais grafiskais apzīmējums

Zenera diodes tiek izmantotas, lai stabilizētu barošanas avotu spriegumu, kā arī fiksētu sprieguma līmeņus dažādās ķēdēs.

Zemsprieguma sprieguma stabilizāciju diapazonā no 0,3 ... 1 V var iegūt, izmantojot silīcija diožu CVC tiešo atzaru. Diode, kurā sprieguma stabilizēšanai tiek izmantota tieša I–V raksturīgā atzara, sauc par stabistoru. Ir arī abpusējas (simetriskas) Zener diodes, kurām ir simetrisks CVC attiecībā pret izcelsmi.

Zenera diodes nodrošina sērijveida savienojumu, savukārt iegūtais stabilizējošais spriegums ir vienāds ar Zenera diožu spriegumu summu:

Ust \u003d Ust1 + Ust2 + ...

Zener diožu paralēlais savienojums ir nepieņemams, jo. visu paralēli pieslēgto zenera diožu raksturlielumu un parametru izplatības dēļ strāva radīsies tikai tajā, kurai ir viszemākais stabilizējošais spriegums Ust, kas izraisīs zenera diodes pārkaršanu.

3.3 Tuneļa un reversās diodes

Tuneļdiode ir pusvadītāju diode, kuras pamatā ir deģenerēts pusvadītājs, kurā tuneļa efekts izraisa negatīvas diferenciālās pretestības sadaļas parādīšanos strāvas-sprieguma raksturlīknē ar tiešo spriegumu.

Tuneļdiode ir izgatavota no germānija vai gallija arsenīda ar ļoti augstu piemaisījumu koncentrāciju, t.i. ar ļoti zemu pretestību. Šādus pusvadītājus ar zemu pretestību sauc par deģenerētiem. Tas ļauj iegūt ļoti šauru p-n krustojumu. Šādās pārejās rodas apstākļi relatīvi brīvai elektronu tunelēšanai caur potenciāla barjeru (tunelēšanas efekts). Tuneļa efekts noved pie tā, ka diodes CVC tiešajā atzarā parādās sadaļa ar negatīvu diferenciālo pretestību. Tuneļa efekts sastāv no tā, ka pietiekami zemā potenciālās barjeras augstumā elektroni var iekļūt caur barjeru, nemainot savu enerģiju.

Tuneļa diožu galvenie parametri:

Maksimālā strāva Ip - līdzstrāva maksimālā CVC punktā;

zemākā strāva Iv - līdzstrāva minimālā CVC punktā;

· tuneļdiodes Iп/Iв strāvu attiecība;

Maksimālais spriegums Up - priekšējais spriegums, kas atbilst maksimālajai strāvai;

zemākais spriegums Uv - tiešais spriegums, kas atbilst zemākajai strāvai;

šķīduma spriegums Urr.

Tuneļdiodes izmanto elektromagnētisko svārstību ģenerēšanai un pastiprināšanai, kā arī ātrgaitas komutācijas un impulsu ķēdēs.

3.7. attēls. Tuneļa diodes strāvas-sprieguma raksturlielums

Apgrieztā diode - uz pusvadītāja bāzes veidota diode ar kritisku piemaisījumu koncentrāciju, kurā vadītspēja pie apgrieztā sprieguma tuneļa efekta dēļ ir daudz lielāka nekā pie tiešā sprieguma.

Apgrieztās diodes darbības princips ir balstīts uz tuneļa efekta izmantošanu. Bet apgrieztajās diodēs piemaisījumu koncentrācija ir mazāka nekā parastajās tuneļdiodēs. Tāpēc apgriezto diožu kontakta potenciālu starpība ir mazāka, un pn krustojuma biezums ir lielāks. Tas noved pie tā, ka tiešā sprieguma iedarbībā netiek radīta tiešā tuneļa strāva. Tiešā strāva apgrieztajās diodēs tiek radīta, caur pn pāreju iesmidzinot neprimāros lādiņnesējus, t.i. līdzstrāva ir difūzija. Ar pretējo spriegumu caur krustojumu plūst ievērojama tuneļa strāva, ko rada elektronu kustība caur potenciāla barjeru no p-apgabala uz n-apgabalu. Apgrieztās diodes CVC darba daļa ir apgrieztā atzara.

Tādējādi apgrieztajām diodēm ir taisnošanas efekts, bet caurejošais (vadošais) virziens tajās atbilst reversajam savienojumam, bet bloķējošais (nevadošais) virziens atbilst tiešajam savienojumam.

Attēls 3.8. Strāvas-sprieguma raksturlielums apgrieztai diodei

Impulsu ierīcēs izmanto apgrieztās diodes, kā arī radiotehnikas ierīcēs signālu pārveidotājus (maisītājus un detektorus).

3.4 Varicaps

Varicap ir pusvadītāju diode, kas izmanto kapacitāti pret reverso spriegumu un ir paredzēta izmantošanai kā elektriski vadāms kapacitātes elements.

Pusvadītāju materiāls varikapu ražošanai ir silīcijs.

Galvenie varikapu parametri:

Nominālā kapacitāte Sv - kapacitāte pie noteiktā reversā sprieguma (Sv = 10 ... 500 pF);

kapacitātes pārklāšanās koeficients

; (Кс = 5…20) – varikapa kapacitātes attiecība pie divām norādītajām reverso spriegumu vērtībām.

Varikapus plaši izmanto dažādās shēmās automātiskai frekvences kontrolei, parametriskajos pastiprinātājos.

3.9. attēls — varikapa Volt-farad raksturlielums

3.5 Elektrisko ķēžu aprēķins ar pusvadītāju diodēm.

Praktiskajās shēmās kāda slodze, piemēram, rezistors, ir iekļauta diodes ķēdē (3.10. att., a). Uz priekšu plūst strāva, ja anodam ir pozitīvs potenciāls attiecībā pret katodu.

Diodes režīmu ar slodzi sauc par darbības režīmu. Ja diodei būtu lineāra pretestība, tad strāvas aprēķins šādā ķēdē nebūtu grūts, jo ķēdes kopējā pretestība ir vienāda ar diodes pretestības pret līdzstrāvu Ro un līdzstrāvas pretestības summu. slodzes rezistors Rn. Bet diodei ir nelineāra pretestība, un Ro vērtība mainās, mainoties strāvai. Tāpēc strāvas aprēķins tiek veikts grafiski. Uzdevums ir šāds: ir zināmas E, Rn vērtības un diodes raksturlielums, nepieciešams noteikt strāvu ķēdē I un spriegumu pāri diodei Ud.

3.10. attēls

Diodes raksturlielums jāuzskata par kāda vienādojuma grafiku, kas attiecas uz I un U vērtībām. Un pretestībai Rn līdzīgs vienādojums ir Ohma likums:

(3.1)

Tātad ir divi vienādojumi ar diviem nezināmajiem I un U, un viens no vienādojumiem ir dots grafiski. Lai atrisinātu šādu vienādojumu sistēmu, nepieciešams uzzīmēt otrā vienādojuma grafiku un atrast abu grafiku krustošanās punkta koordinātas.

Pretestības Rn vienādojums ir pirmais jaudas vienādojums I un U. Tā diagramma ir taisna līnija, ko sauc par slodzes līniju. Tas ir veidots uz diviem punktiem uz koordinātu asīm. Ja I= 0, no (3.1) vienādojuma iegūstam: E − U= 0 vai U= E, kas atbilst punktam A attēlā. 3.10b. Un, ja U= 0, tad I= E/Rn. mēs atlikam šo strāvu uz y ass (punkts B). caur punktiem A un B novelkam taisnu līniju, kas ir slodzes līnija. Punkta D koordinātas dod problēmas risinājumu.

Jāņem vērā, ka diodes darbības režīma grafisko aprēķinu var izlaist, ja Rн >> Rо. Šajā gadījumā ir pieļaujams neņemt vērā diodes pretestību un aptuveni noteikt strāvu: I "E / Rn.

Apskatīto līdzstrāvas sprieguma aprēķināšanas metodi var attiecināt uz amplitūdu vai momentānām vērtībām, ja avots dod maiņspriegumu.

Tā kā pusvadītāju diodes labi vada strāvu virzienā uz priekšu un slikti pretējā virzienā, lielākā daļa pusvadītāju diožu tiek izmantotas maiņstrāvas iztaisnošanai.

Vienkāršākā shēma maiņstrāvas iztaisnošanai ir parādīta attēlā. 3.11. Tajā virknē ir savienots mainīgā EMF avots - e, diode VD un slodzes rezistors Rn. Šo ķēdi sauc par pusviļņu.

Vienkāršākā taisngrieža darbība ir šāda. Viena pusperioda laikā spriegums diodei ir tiešs un strāva iet, radot sprieguma kritumu UR pāri rezistoram Rn. Nākamajā pusciklā spriegums tiek apgriezts, praktiski nav strāvas un UR \u003d 0. Tādējādi caur diodi slodzes rezistors izlaiž pulsējošu strāvu impulsu veidā, kas ilgst pusi cikla. Šo strāvu sauc par taisnvirziena strāvu. Tas rada rektificētu spriegumu pāri rezistoram Rn. Grafiki att. 3.11, b ilustrē procesus taisngriežā.

3.11.attēls

Diodes pozitīvo pusviļņu amplitūda ir ļoti maza. Tas ir saistīts ar faktu, ka, pārejot uz priekšu, lielākā daļa avota sprieguma samazinās pāri slodzes rezistoram Rн, kura pretestība ir daudz lielāka par diodes pretestību. Šajā gadījumā

. (3.2)

Parastajām pusvadītāju diodēm tiešais spriegums nav lielāks par 1 ... 2 V. Piemēram, lai avota efektīvais spriegums ir E = 200 V un

. Ja Upr max= 2V, tad URmax= 278V.

Ar negatīvu pusviļņu praktiski nav ieejas sprieguma, un sprieguma kritums uz rezistora Rn ir nulle. Viss avota spriegums tiek pielietots diodei, un tas ir tai apgrieztais spriegums. Tādējādi apgrieztā sprieguma maksimālā vērtība ir vienāda ar avota emf amplitūdu.

Vienkāršākā Zenera diodes izmantošanas shēma ir parādīta attēlā. 3.12., a. Slodze (patērētājs) ir savienota paralēli Zener diodei. Tāpēc stabilizācijas režīmā, kad Zener diodes spriegums ir gandrīz nemainīgs, slodzei būs tāds pats spriegums. Parasti Rogr aprēķina Zenera diodes raksturlieluma viduspunktam T.

Apsveriet gadījumu, kad E = const, un Rн mainās no Rн min līdz Rн max.

Rlimit vērtību var atrast, izmantojot šādu formulu:

(3.3)

kur Iav \u003d 0,5 (Ist min + Ist max) - Zenera diodes vidējā strāva;

In \u003d Ust / Rn - slodzes strāva (pie Rn \u003d const);

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

Un .

3.12. attēls

Ķēdes darbību šajā režīmā var izskaidrot šādi. Tā kā Rlimit ir nemainīgs un sprieguma kritums uz tā, kas vienāds ar (E - Ust), arī ir nemainīgs, tad strāvai Rlimit, kas vienāda ar (Ist + Il.av), jābūt nemainīgai. Bet pēdējais ir iespējams tikai tad, ja Zenera diodes strāva I un slodzes strāva Iн mainās tādā pašā mērā, bet pretējos virzienos. Piemēram, ja In palielinās, tad strāva I samazinās par tādu pašu daudzumu, un to summa paliek nemainīga.

Apskatīsim Zenera diodes darbības principu, izmantojot ķēdes piemēru, kas sastāv no virknē savienota mainīga EMF avota - e, Zenera diodes VD un rezistora R (3.13. att., a).

Pozitīvajā pusciklā Zenera diodei tiek pielikts apgrieztais spriegums, un līdz Zenera diodes pārrāvuma spriegumam viss spriegums tiek pievadīts Zenera diodei, jo strāva ķēdē ir nulle. Pēc Zenera diodes elektriskā pārrāvuma Zenera diodes VD spriegums paliek nemainīgs un viss atlikušais EMF avota spriegums tiks pievadīts rezistoram R. Negatīvā pusperiodā Zenera diode tiek ieslēgta. vadošs virziens, sprieguma kritums tajā ir aptuveni 1 V, un atlikušais EMF avota spriegums tiek pievadīts rezistoram R.