ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

[МаэстроZ]

1.1 Общие сведения о диодах
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода. В полупроводниковых диодах выпрямляющим электрическим переходом может быть электронно-дырочный (p-n) переход, либо контакт «металлполупроводник», обладающий вентильным свойством, либо гетеропереход.

Структуры полупроводниковых диодов.png (79.25 КБ) 14905 просмотров

а – с выпрямляющим р-п-переходом;
б – с выпрямляющим переходом на контакте «металл-полупроводник»;
Н – невыпрямляющий (омический) переход;
В – выпрямляющий электрический переход;
М – металл.
В зависимости от типа перехода полупроводниковые диоды имеют следующие структуры (рисунок 1.1):

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

Классификация диодов производится по различным признакам:

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

Основными классификационными признаками являются тип электрического перехода и назначение диода. В зависимости от геометрических размеров p-n-перехода диоды подразделяют на плоскостные и точечные.
Плоскостными называют такие диоды, у которых размеры, определяющие площадь p-n-перехода, значительно больше его ширины. У таких диодов площадь p-n-перехода может составлять от долей квадратного миллиметра до десятков квадратных сантиметров.

1.2.png (69.84 КБ) 14905 просмотров

Рисунок 1.2 – Структура плоскостного диода, изготовленного методом сплавления
Плоскостные диоды (рисунок 1.2) изготавливают методом сплавления или методом диффузии. Плоскостные диоды имеют сравнительно большую величину барьерной ѐмкости (до десятков пикофарад), что ограничивает их предельную частоту до 10 кГц.
Промышленностью выпускаются плоскостные диоды в широком диапазоне токов (до тысяч ампер) и напряжений (до тысяч вольт), что позволяет их использовать как в установках малой мощности, так и в установках средней и большой мощности.
Точечные диоды имеют очень малую площадь p-n-перехода, причем линейные размеры ее меньше толщины p-n-перехода.
Точечные р-n-переходы (рисунок 1.3) образуются в месте контакта монокристалла полупроводника и острия металлической проволочки – пружинки.

Структура точечного диода.png (74.05 КБ) 14905 просмотров

Для обеспечения более надежного контакта его подвергают формовке, для чего уже через собранный диод пропускают короткие импульсы тока. В результате формовки из-за сильного местного нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в кристалл полупроводника, образуя слой иного типа электропроводности, чем полупроводник. Между этим слоем и кристаллом возникает p-n-переход полусферической формы.
Благодаря малой площади p-n-перехода барьерная ѐмкость точечных диодов очень незначительна, что позволяет использовать их на высоких и сверхвысоких частотах.
По аналогии с электровакуумными диодами, ту сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, называют катодом, а противоположную – анодом.

[МаэстроZ]

2.2 Выпрямительные диоды
Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.
Выпрямительные диоды, помимо применения в источниках питания для выпрямления переменного тока в постоянный, также используются в цепях управления и коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов.
Конструктивно выпрямительные диоды оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах в виде дискретных элементов (рисунок 1.4, а) либо в виде диодных сборок, к примеру, диодных мостов (рисунок 1.4, б) выполненных в едином корпусе.

Выпрямительные диоды.gif (27.84 КБ) 14901 просмотр

На рисунке 1.4, в приведена конструкция выпрямительного маломощного диода, изготовленного методом сплавления. В качестве полупроводникового материала использован германий. Изготовление германиевых выпрямительных диодов начинается с вплавления индия 1 в исходную полупроводниковую пластину (кристалл) германия 2 n-типа.

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

(радиаторе) (рисунок 1.5), для отвода выделяющегося при работе прибора тепла.

Мощные выпрямительные диоды.png (280.39 КБ) 14901 просмотр

а) дискретное исполнение;
б) диодный мост;
в) диодный силовой модуль;
г) конструкция одного из маломощных диодов.
Для получения p-n-переходов кремниевых выпрямительных диодов вплавляют алюминий в кристалл кремния n-типа или же сплава золота с сурьмой в кремний p-типа. Для получения переходов также используют диффузионные методы.

ВАХ.png (129.11 КБ) 14901 просмотр

Выпрямительные диоды должны иметь как можно меньшую величину обратного тока, что определяется концентрацией неосновных носителей заряда или, в конечном счете, степенью очистки исходного полупроводникового материала. Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода имеет вид, изображенный на рисунке 1.6. По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода можно определить следующие основные параметры, влияющие на его работу:

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

7. Статическое сопротивление диода:
[math]R_{ст}=\frac{U_{пр}}{I_{пр}}
где I_пр – величина прямого тока диода;
U_пр – падение напряжения на диоде при протекании тока I_пр.
Статическое сопротивление диода представляет собой его сопротивление постоянному току.
Кроме рассмотренной системы статических параметров в работе диодов важную роль играет система динамических параметров:
1. Динамическое (дифференциальное) сопротивление R_дин:
[math]R_{дин}=\frac{\Delta U_{пр}}{\Delta I_{пр}}=tg \beta
где [math]\Delta I_{пр}– приращение прямого тока диода;
[math]\Delta U_{пр}– приращение падения напряжения на диоде при изменении его тока [math]\Delta I_{пр}.
Динамическое сопротивление играет важную роль и в рассмотрении процессов при обратном включении диода, например, в стабилитронах. Там динамическое сопротивление определяется через приращение обратного тока и обратного напряжения.

Уменьшение скорости нарастания.png (94.31 КБ) 14898 просмотров

2. Скорость нарастания прямого тока [math]di/dt. Этот параметр является очень важным при включении силовых диодов в цепи, где возможно очень быстрое нарастание прямого тока (например, в цепях, имеющих ѐмкостный характер).
Если ток через диод не превышает допустимого значения, но имеет очень крутой фронт нарастания, то в полупроводниковом кристалле возможно возникновение явления, называемого шнурованием тока, когда ток в первый момент времени из-за неоднородностей в p-n-переходе сосредоточится в узкой области p-n-перехода, имеющей наименьшее сопротивление, образуя так называемый «токовый шнур». Плотность тока в «шнуре» может оказаться недопустимо большой, что приведет к проплавлению полупроводниковой структуры и выходу прибора из строя. Поэтому для силовых диодов этот параметр часто нормируется в паспортных данных с указанием его предельного значения. Для защиты силовых диодов от выхода из строя из-за большой скорости нарастания тока можно последовательно с диодом включить небольшой дроссель L (рисунок 1.7, а). Наличие дросселя L в цепи приводит к затягиванию фронта нарастания тока с величины [math]\Delta tдо безопасной величины [math]\Delta t' (рисунок 1.7, б).
3. Скорость нарастания обратного напряжения [math]du/dt. Если фронт нарастания обратного напряжения на силовом диоде будет очень крутой (это характерно для цепей с индуктивным характером), то импульс обратного тока диода с учѐтом собственной ѐмкости p-n-перехода С_бар будет равен:
[math]i=C_{бар}\cdot \frac{du_c}{dt}
где [math]\frac{du_c}{dt} – скорость нарастания обратного напряжения.

1.8.png (51.14 КБ) 14898 просмотров

Рисунок 1.8 – Способ уменьшения скорости нарастания обратного напряжения
Даже при сравнительно небольшой величине ѐмкости С_бар импульс тока может представлять собой опасность для полупроводниковой структуры. Для защиты силовых диодов в этом случае их шунтируют защитной RC-цепочкой (рисунок 1.8), причѐм ѐмкость C выбирают больше величины собственной ѐмкости p-n-перехода. Тогда импульс обратного тока будет проходить в основном по защитной цепочке, не принося вреда самому диоду.
К числу динамических параметров относится и величина собственной ѐмкости p-n-перехода силового диода С_бар .
В настоящее время на практике преимущественно применяется система так называемых предельных параметров, основными из которых являются:

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

6. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение U _{обр. max} – напряжение, соответствующее началу процесса лавинообразования в приборе (напряжение пробоя).
Особенности вольт-амперных характеристик выпрямительных диодов
На рисунке 1.9 представлена вольт-амперная характеристика кремниевого выпрямительного диода при различной температуре окружающей среды. Максимально допустимые прямые токи кремниевых плоскостных диодов различных типов составляют 0,1…1600 А. Падение напряжения на диодах при этих токах обычно не превышает 1,5 В. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера p-n-перехода и с перераспределением носителей заряда по энергетическим уровням.

рис.1.9.png (110.79 КБ) 14856 просмотров

Рисунок 1.9 – Вольт-амперная характеристика одного из кремниевых диодов при различной температуре окружающей среды
Обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет участка насыщения обратного тока, т. к. обратный ток в кремниевых диодах вызван процессом генерации носителей заряда в p-n-переходе. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры увеличивается. Для некоторых типов кремниевых диодов при комнатной температуре пробивное напряжение может составлять 500...2000 В .
Диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных диодов ограничивается значениями -60...+120 по Цельсию . Нижний предел рабочих температур обусловлен различием температурных коэффициентов линейного расширения различных элементов конструкции диода: при низких температурах возникают механические напряжения, которые могут привести к растрескиванию кристалла. С уменьшением температуры также необходимо учитывать увеличение прямого падения напряжения на диоде, происходящее из-за увеличения высоты потенциального барьера на p-n-переходе.
Верхний предел диапазона рабочих температур выпрямительных диодов определяется резким ухудшением выпрямления в связи с ростом обратного тока – сказывается тепловая генерация носителей заряда в результате ионизации атомов полупроводника. Исходя из этого верхний предел диапазона рабочих температур кремниевых выпрямительных диодов, как и большинства других полупроводниковых приборов, связан с шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала.

рис.1.10.png (131 КБ) 14856 просмотров

Рисунок 1.10 – Вольт-амперная характеристика одного из германиевых выпрямительных диодов при различной температуре окружающей среды
На рисунке 1.10 представлена вольт-амперная характеристика германиевого выпрямительного диода при различной температуре окружающей среды.
Прямое напряжение на германиевом диоде при максимально допустимом прямом токе практически в два раза меньше, чем на кремниевом диоде. Это связано с меньшей высотой потенциального барьера германиевого перехода, что является достоинством, но, к сожалению, единственным. Для германиевых диодов характерно существование обратного тока насыщения, что связано с механизмом образования обратного тока – процессом экстракции неосновных носителей заряда.
Плотность обратного тока в германиевых диодах значительно больше, т. к. при прочих равных условиях концентрация неосновных носителей заряда в германии на несколько порядков больше, чем в кремнии. Это приводит к тому, что для германиевых диодов пробой имеет тепловой характер. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры уменьшается, а значения этого напряжения меньше пробивных напряжений кремниевых диодов.
Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет около 75 градусов .
Существенной особенностью германиевых диодов и их недостатком является то, что они плохо выдерживают даже очень кратковременные импульсные перегрузки при обратном смещении p-n-перехода. Определяется это механизмом пробоя – тепловым пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.
Перечисленные особенности кремниевых и германиевых выпрямительных диодов связаны с различием ширины запрещенной зоны исходных полупроводников. Из такого сопоставления видно, что выпрямительные диоды с большей шириной запрещенной зоны обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. Одним из таких представителей является арсенид галлия.
В настоящее время, выпускаемые промышленностью арсенид-галлиевые выпрямительные диоды еще далеки от оптимально возможных. К примеру, диод типа АД112А имеет максимально допустимый прямой ток 300 мА при прямом напряжении 3 В. Большая величина прямого напряжения является недостатком всех выпрямительных диодов, p-n-переходы которых сформированы в материале с широкой запрещенной зоной. Максимально допустимое обратное напряжение для данного диода – 50 В. Это объясняется, вероятнее всего, тем, что в области p-n-перехода имеется большая концентрация дефектов из-за несовершенства технологии.
Достоинствами арсенид-галлиевых выпрямительных диодов являются большой диапазон рабочих температур и лучшие частотные свойства. Верхний предел рабочих температур для диодов АД112А составляет 250 градусов . Арсенидгаллиевые диоды АД110А могут работать в выпрямителях малой мощности до частоты 1 МГц, что обеспечивается малым временем жизни носителей заряда в этом материале.
Выводы:

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

[МаэстроZ]

2.3 Импульсные диоды
Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное, через короткие промежутки времени порядка долей микросекунды при этом важную роль играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т. е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами.

рис.2.1.png (68.67 КБ) 14851 просмотр

Рисунок 2.1 – Конструкция импульсного диода:
1 – кристалл полупроводника; 2 – кристаллодержатель; 3 – припой; 4 – контактная пружина; 5 – стеклянный корпус ; 6 – коваровая трубка;
7 – внешние выводы.
Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рисунок 2.1). Точечный диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой проволоки и стеклянного баллона. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения на диоде.
В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых методах формирования p-n-переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания). Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид галлия.
Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводят примесь золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетических уровней рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.
В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянный или металлический корпус с ленточными выводами.
Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса (рисунок 2.2).

рис.2.2.png (78.76 КБ) 14851 просмотр

Рисунок 2.2 – Переходные процессы в импульсном диоде
При прямом напряжении на участке 0…t1 происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую, и их накопление там. При смене полярности напряжения на обратную, в первый момент величина обратного тока будет значительна, а обратное сопротивление диода резко уменьшится, так как накопленные в базе неосновные носители под действием изменившегося направления напряженности электрического поля начнут двигаться в сторону p-n-перехода, образуя импульс обратного тока. По мере перехода их в эмиттерную область, их количество уменьшится и через некоторое время обратный ток достигнет нормального установившегося значения, а сопротивление диода в обратном направлении восстановится до нормальной величины.
Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение которого обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося, называется нем восстановления обратного сопротивления вос. обр. t . Время восстановления обратного сопротивления – один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем оно меньше, тем диод лучше.
Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам p-n-переход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной ѐмкости перехода C_бар .
Выводы:
1. Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.
2. Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое.

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

[МаэстроZ]

2.4 Туннельные диоды
Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей (10¹⁸...10²⁰ см^-3), вследствие чего получается малая толщина p-n-перехода (около 10^-2 мкм), что на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах, и сквозь тонкий потенциальный барьер возможно туннелирование свободных носителей заряда.
На рисунке 2.3 представлена вольт-амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении.

1И104.png (107.48 КБ) 14682 просмотра

Рисунок 2.3 – Туннельный диод 1И104:
а – вольтамперная характеристика при прямом смещении;
б – конструктивное исполнение;
в – условное графическое изображение туннельных диодов.
Параметрами туннельных диодов являются (рисунок 2.4, а):
1. Пиковый ток I_П – значение прямого тока в точке максимума вольт-амперной характеристики;
2. Ток впадины I_В – значение прямого тока в точке минимума вольт-амперной характеристики;

Зонные энергетические диаграммы.png (149.83 КБ) 14682 просмотра

Рисунок 2.4, а, б, в, г

Зонные энергетические диаграммы.png (194.04 КБ) 13971 просмотр

Рисунок 2.4, д,е, ж, з
3. Отношение токов [math]\frac{t_n}{t_B}(для туннельных диодов из GaAs отношение [math]\frac{t_n}{t_B}\geq 10, для германиевых [math]\frac{t_n}{t_B}\approx 3...6);
4. Напряжение пика U_П – значение прямого напряжения, соответствующее пиковому току;
5. Напряжение впадины U_B – значение прямого напряжения, соответствующее току впадины;
6. Напряжение раствора U_pp – значение прямого напряжения на второй восходящей ветви, при котором ток равен пиковому току.
В равновесном состоянии системы уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового диода, поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна зоны проводимости области n-типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны области p-типа, и так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в другую без изменения своей энергии, просачиваться сквозь потенциальный барьер, т. е. туннелировать (рисунок 2.4, б).
В состоянии равновесия потоки носителей из одной области в другую одинаковы, поэтому результирующий ток равен нулю. Под воздействием
внешнего поля энергетическая диаграмма изменится. При подключении прямого напряжения уровень Ферми и положение энергетических зон сместится относительно равновесного состояния в сторону уменьшения потенциального барьера и при этом степень перекрытия между потолком валентной зоны материала p-типа и дном зоны проводимости материала n-типа уменьшится (рисунок 2.4, в). При этом в зоне проводимости материала n-типа уровни, заполненные электронами (ниже уровня Ферми) окажутся против незаполненных уровней в валентной зоне материала p-типа, что приведет к появлению тока, обусловленного большим количеством электронов, переходящих из n-области в р-область. Максимальное значение этого тока будет тогда, когда уровень Ферми материала n-типа и потолок валентной зоны материала р-типа будут совпадать (рисунок 2.4, г). При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельное перемещение электронов из n-области в р-область начнет убывать (рисунок 2.4, д), так как количество их уменьшается по мере уменьшения степени перекрытия между дном зоны проводимости материала п-типа и потолком валентной зоны материала р-типа. В точке, где эти уровни совпадают, прямой ток р-n-перехода достигнет минимального значения (рисунок 2.4, е), а затем, когда туннельные переходы электронов станут невозможны (рисунок 2.4, ж), носители заряда будут преодолевать потенциальный барьер за счет диффузии и прямой ток начнет возрастать, как у обычных диодов. При подаче на туннель-
ный диод обратного напряжения потенциальный барьер возрастает, и энергетическая диаграмма будет иметь вид, показанный на (рисунок 2.4, з). Так как количество электронов с энергией выше уровня Ферми незначительно, то обратный ток р-n-перехода в этом случае будет возрастать в основном за счет электронов, туннелирующих из р-области в n-область, причем, поскольку концентрация электронов в глубине валентной зоны р-области велика, то даже небольшое увеличение обратного напряжения и связанное с этим незначительное смещение энергетических уровней, приведет к существенному росту обратного тока.
Рассмотренные процессы позволяют сделать вывод, что туннельные диоды одинаково хорошо проводят ток при любой полярности приложенного напряжения, т. е. они не обладают вентильными свойствами. Более того, обратный ток у них во много раз больше обратного тока других диодов. Это свойство используется в другом типе полупроводникового прибора – обращенном диоде.
Выводы:

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

[МаэстроZ]

2.5 Обращенный диод
Обращенный диод – это разновидность туннельного диода, у которого концентрация примесей подобрана таким образом, что в уравновешенном состоянии при отсутствии внешнего напряжения потолок валентной зоны материала р-типа совпадает с дном зоны проводимости материала n-типа (рисунок 2.5, а).

Рис.2.5. Зонная энергетическая диаграмма и ВАХ обращенного диода.png (64.91 КБ) 13969 просмотров

В этом случае туннельный эффект будет иметь место только при малых значениях обратного напряжения и вольт-амперная характеристика такого прибора будет аналогична обратной ветви вольт-амперной характеристики туннельного диода (рисунок 2.5, б). Поэтому обратные токи в обращенных диодах оказываются довольно большими при очень малых обратных напряжениях (десятки милливольт).
При прямом напряжении на p-n-переходе прямой ток связан с диффузией носителей через понизившийся потенциальный барьер и вольт-амперная характеристика его аналогична прямой ветви вольт-амперной характеристики обыкновенного диода. Поэтому прямой ток образуется только в результате инжекции носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода, но при прямых напряжениях в несколько десятых долей вольта. При меньших напряжениях прямые токи в обращенных диодах меньше обратных.
Таким образом, этот диод оказывает малое сопротивление току, проходящему в обратном направлении и сравнительно высокое прямому току. Поэтому используются они тогда, когда необходимо выпрямлять очень слабые электрические сигналы величиной в малые доли вольта.
При этом включается он в обратном направлении, что и предопределило название такого диода.

[МаэстроZ]

2.6 Диоды Шоттки
Потенциальный барьер, полученный на основе контакта «металл – полупроводник», часто называют барьером Шоттки, а диоды, использующие такой потенциальный барьер, – диодами Шоттки. Как уже было рассмотрено выше, в контакте «металл – полупроводник» не происходит накопления неосновных носителей в базе из-за отсутствия инжекции неосновных носителей, вследствие чего значительно уменьшается время восстановления обратного сопротивления, что в сочетании с малой величиной барьерной ёмкости создает идеальные условия для использования таких диодов в импульсных и высокочастотных устройствах.
Диоды Шоттки изготавливаются обычно на основе кремния Si или арсенида галлия GaAs, реже на основе германия Ge. Выбор металла для контакта с полупроводником определяет многие параметры диода. В первую очередь важна величина контактной разности потенциалов, образующейся на границе контакта. Чаще всего используются металлы Ag, Au, Pt, Pd, W, которые наносятся на полупроводник и дают величину потенциального барьера 0,2…0,9 эВ.
Диоды Шоттки на электрических принципиальных схемах изображают условным обозначением (рисунок 2.6), которое используется только тогда, когда необходимо сделать акцент на том, что в схеме используется именно диод Шоттки.

Условное графическое обозначение диода Шоттки.png (46.87 КБ) 13968 просмотров

[МаэстроZ]

2.7 Варикапы
Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной ёмкости р-п-перехода от обратного напряжения.
Таким образом, варикап можно рассматривать как конденсатор, ёмкость которого можно регулировать при помощи электрического сигнала. Максимальное значение ёмкости варикап имеет при нулевом обратном напряжении. При увеличении обратного напряжения ёмкость варикапа уменьшается. На рисунке 2.7 показана зависимость ёмкости варикапа КВ126А-5 от приложенного напряжения.

Варикапы.png (123.11 КБ) 13968 просмотров

Рисунок 2.7 – Варикапы: вольт-амперная характеристика (а); конструкции (б); условное графическое изображение варикапов (в).
Основные параметры варикапов:
1. Номинальная ёмкость C_H – ёмкость между выводами, измеренная при заданном обратном напряжении;
2. Добротность варикапа Q – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной ѐмкости или обратном напряжении;
3. Коэффициент перекрытия по ёмкости K_C – отношение максимальной ёмкости max C варикапа к его минимальной ёмкости C_min при двух заданных значениях обратного напряжения.
4. Температурный коэффициент ёмкости [math]\alpha – относительное изменение ёмкости варикапа, приходящееся на один градус изменения температуры окружающей среды:[math]\alpha=\frac{\Delta C}{C \cdot \Delta T}

[МаэстроZ]

2.8 Стабилитроны
Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольт-амперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения. Это свойство широко используется при создании специальных устройств – стабилизаторов напряжения. Напряжение пробоя стабилитрона зависит от ширины р-п-перехода, которая определяется удельным сопротивлением материала полупроводника. Поэтому существует определенная зависимость пробивного напряжения (т. е. напряжения стабилизации) от концентрации примесей.
Низковольтные стабилитроны выполняют на основе сильно легированного кремния. Ширина р-п-перехода в этом случае получается очень маленькой, а напряженность электрического поля потенциального барьера – очень большой, что создает условия для возникновения туннельного пробоя. При большой ширине р-п-перехода пробой носит лавинный характер. При напряжении стабилизации U_CT от 3 до 6 В в p-n-переходах наблюдается практически туннельный пробой. В диапазоне от 6 до 8 В имеют место процессы как туннельного, так и лавинного пробоя, а в пределах 8…200 В – только лавинного.

Стабилитроны.png (79.99 КБ) 13964 просмотра

Конструкции стабилитронов очень незначительно, а в некоторых случаях практически не отличаются от конструкций выпрямительных диодов (рисунок 2.8). Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рисунке 2.8, б. Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимое значение I_{ст. max} во избежание перегрева полупроводниковой структуры и выхода его из строя.
Существенной особенностью стабилитрона является зависимость его напряжения стабилизации от температуры. В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН):
[math]\alpha_{cm}=\frac{1}{U_{cm}}\cdot \frac{\Delta U_{cm}}{\Delta T}\cdot 100\%
который показывает – на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры прибора на 1 градус по Цельсию.
В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН (рисунок 2.9).

Температурная зависимость вольт-амперной характеристики.png (58.51 КБ) 13925 просмотров

Для устранения этого недостатка и создания термокомпенсированных стабилитронов последовательно в цепь стабилитрона включают обычные диоды в прямом направлении. Как известно, у обычных диодов в прямом направлении падение напряжения на р-п-переходе при нагревании уменьшается. И если последовательно со стабилитроном (рисунок 2.10) включить n диодов в прямом направлении, где
[math]n=\frac{\Delta U}{\delta U}
([math]\delta U – изменение прямого падения напряжения на диоде при изменении от T1 до T2), то можно почти полностью компенсировать температурную погрешность стабилитрона.

Термокомпенсация стабилитрона.png (47.07 КБ) 13925 просмотров

Основные параметры стабилитронов:

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

Предельные параметры стабилитронов:

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

Выводы:

Скрытый текст

Для просмотра скрытого текста необходимо быть авторизованным пользователем.

[МаэстроZ]

2.9 Стабисторы
Стабистор – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области прямого смещения слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения. Стабилизацию постоянного напряжения можно также получить при использовании диода, включенного в прямом направлении, используя для этой цепи крутой участок прямой ветви вольт-амперной характеристики (рисунок 2.11). При изменении прямого тока в диапазоне от I_{cm min} до I_{cm max} падение напряжения будет изменяться в относительно небольшом диапазоне [math]\Delta U . Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами.
Для изготовления стабисторов используется кремний с большой концентрацией примесей, что необходимо для получения меньшего сопротивления и меньшей температурной зависимости прямой ветви вольт-амперной характеристики.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона.png (59.81 КБ) 13925 просмотров

По сравнению со стабилитронами стабисторы имеют меньшее напряжение стабилизации, определяемое прямым падением напряжения на диоде, и которое составляет примерно 0,7 В. Последовательное соединение двух или трёх стабисторов позволяет получить удвоенное или утроенное значение напряжение стабилизации. Некоторые типы стабисторов представляют собой единый прибор с последовательным соединением отдельных элементов.
Основные параметры стабисторов такие же, как у стабилитронов.

[МаэстроZ]

2.10 Применение полупроводниковых диодов
При рассмотрении вопросов применения полупроводниковых диодов ограничимся применением стабилитронов и выпрямительных диодов.
Выпрямителями называются устройства, преобразующие электрическую энергию переменного тока в энергию постоянного тока. Структурная схема выпрямителя представлена на рисунке 2.12.

Структурная схема выпрямителя.png (64.08 КБ) 13925 просмотров

Силовой трансформатор – преобразует переменное питающее напряжение (необходимое напряжение, гальваническая развязка).
Вентиль – обладает односторонней проводимостью и обеспечивает преобразование переменного тока в выпрямленный (ток одного направления).
Сглаживающий фильтр – преобразует выпрямленный ток в ток близкий по форме к постоянному току.
Нагрузка – активная, активно-индуктивная, активно-емкостная, противоЭДС.
Выпрямительные устройства характеризуются: выходными параметрами, параметрами, характеризующими режим работы вентилей, и параметрами
трансформатора. Наиболее распространенный вентиль в маломощных устройствах – полупроводниковый диод. Если в качестве вентилей используются тиристоры и транзисторы, то возможна реализация так называемого управляемого режима выпрямления (на диодах строят неуправляемые выпрямители).
Выпрямители называются неуправляемыми, если величина напряжения на выходе выпрямителя Е_в определяется только переменным напряжением Е₂ на его входе:
[math]E_{cm}=k_{cx}\cdot E_2
где k_cx – коэффициент пропорциональности, характерный для данной схемы выпрямления, называемый коэффициентом схемы выпрямления.
К выходным параметрам выпрямителя относятся: номинальное среднее
выпрямленное напряжение U_{H CP} ; номинальный средний выпрямленный ток I_{H CP}; коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения k_n ; частота пульсаций выпрямленного напряжения; внутреннее сопротивление выпрямителя.
Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды первой гармоники колебаний выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения.
Для классификации выпрямителей используют различные признаки и особенности их конструкции: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, тип сглаживающего фильтра и т. п.
По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз – однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители.
По схеме включения вентилей различают выпрямители с параллельным, последовательным и мостовым включением вентилей.