Полупроводниковые выпрямительные диоды: 1.2. Полупроводниковые диоды – Полупроводниковые диоды. Классификация и принцип работы. :: Электроника для всех — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

П л а н л е к ц и и

5.1. Разновидности полупроводниковых диодов.

5.2. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

5.4. Модели выпрямительных диодов.

5.5. Стабилитроны: характеристики, параметры, применение. 5.6. Туннельный диод. Зонная диаграмма и ВАХ.

5.7. Варикап: принцип работы, применение. 5.8. Импульсные диоды: принцип действия.

5.1. Разновидностиполупроводниковыхдиодов.

Прибор, который имеет два электрода и один выпрямляющий р–n-переход, называется полупроводниковым диодом. Существуют разные виды полупроводниковых диодов – выпрямительные, импульсные, обращенные, туннельные, лавинно-пролетные, опорные или зенеровские (стабилитроны), с регулируемой емкостью (варикапы) и т. д.

5.2. Выпрямительныеполупроводниковыедиоды. Характеристикиипараметры. Влияниевнешних условийнахарактеристикиипараметры.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния или германия. В зависимости от частоты выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные и высокочастотные. В зависимости от мощности – на диоды малой, средней и большой мощности, что соответствует предельным значениям выпрямленного тока до 300 мА, от 300 мА до 10 А и выше 10 А. По конструкции выпрямительные диоды подразделяются на точечные и плоскостные, а в зависимости от технологии изготовления – на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Точечные диоды имеют малую барьерную емкость, обусловленную малой площадью p–n-перехода, и применяются, как правило, на высоких и сверхвысоких частотах.

Мощные плоскостные диоды имеют большую площадь p–n-перехода, являются низкочастотными и используются в основном в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Такие диоды называются силовыми. Они изготавливаются преимущественно из кремния, поскольку

 Электроника. Конспект лекций

-67-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.2. Выпрямительные полупроводниковыедиоды. Хаар-ки и параметры.Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через p–n-переход от температуры. Мощные кремниевые диоды рассчитаны на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение до 1000 В.

Для выпрямления высоких напряжений служат выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, выпрямленный ток которых может составлять несколько сот миллиампер, а напряжение до 15000 В.

Сплавные диоды чаще всего применяются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на частотах до 100 кГц, а эпитаксиальные диоды с барьером Шоттки – на частотах до 500 кГц.

Зависимость тока через диод от напряжения на диоде называется вольтамперной характеристикой диода (ВАХ). Теоретическое описание BAX идеального диода с p–n переходом, полученное У. Шокли (4.33), имеет вид

I = IS (eU / ϕT −1),

(5.1)

где U – напряжение на p–n-переходе диода, IS – ток насыщения, φТ = kT/q – тепловой потенциал. При T = 300 К φТ = 25 мВ. ВАХ идеального p–n- перехода приведена на рис. 5.1, а.

0	U	A	Uпор	U
		Б
а			б

Рис. 5.1. Статические вольт-амперные характеристики идеального p–n-перехода (а) и реального диода (б)

При положительных и отрицательных напряжениях U, больших по модулю 0,1 В, ВАХ описывается упрощенным выражением

 Электроника. Конспект лекций

-68-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

При протекании большого прямого тока через диод падение напряжения возникает не только на p–n-переходе, но и на объемном сопротивлении полупроводника R.

В результате реальная ВАХ диода (рис. 5.1, б) отличается от ВАХ идеального p–n-перехода и описывается выражением

I = ISe(U −IR) / ϕT .

(5.3)

Различают прямую (при U > 0) и обратную (при U < 0) ветви ВАХ. Прямой ветви ВАХ соответствуют большие значения прямого тока диода и малые падения напряжения на диоде, обратной ветви – малые значения обратного тока диода при достаточно больших (по модулю) обратных напряжениях на диоде. Свойством проводить ток практически в одном направлении (свойством односторонней проводимости) и определяется использование диода для целей выпрямления переменного тока.

На прямой ветви ВАХ выпрямительного диода выделяют условную точку ее резкого излома и соответствующее ей напряжение, называемое пороговым. Пороговое напряжение приближенно составляют 0,3 В для германиевых диодов, 0,6 В – для кремниевых и 1,2 В – для арсенидгаллиевых.

Важным параметром диода является коэффициент выпрямления Kв, который определяется как отношение прямого тока к обратному при одинаковой (по модулю) величине прямого и обратного напряжений

(например: ±0,01 В; ±0,1 В; ±1 В) [3]. Для идеального диода Кв = 1 при U =

±0,01 В. При U = ±1 В Кв = 2,8·1020.

Для реального диода существует максимально допустимый прямой ток Iпр.max, превышение которого приводит к его недопустимому разогреву и тепловому пробою. Значение Iпр.max относится к справочным предельным параметрам диодов. Для диодов малой мощности предельный прямой ток составляет десятки миллиампер.

При приложении определенного обратного напряжения, называемого напряжением пробоя, начинается процесс лавинообразного нарастания тока, что соответствует электрическому пробою p–n-перехода (отрезок А–Б на рис. 5.1, б). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки Б).

Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max также является важным предельным параметром выпрямительных диодов и составляет для


диодов малой мощности десятки – сотни вольт.
Полупроводниковый		диод	характеризуется		статическим		и
дифференциальным	(динамическим)			сопротивлениями,		которые
определяются по его ВАХ.

 Электроника. Конспект лекций							-69-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Дифференциальное сопротивление диода представляет отношение приращения напряжения на диоде к приращению тока через диод:

rä = dU

Оно имеет большое значение на обратной ветви ВАХ и малое зн ачение, обратно пропорциональное току диода,

– на прямой ветви ВАХ диода (рис. 5.2). Для диодов малой мощности дифференциальное сопротивление составляет единицы – десятки ом, для более мощных диодов – десятые доли

ома.

Статическое сопротивление диода (сопротивление постоянному току) определяется отношением напряжения на диоде к протекающему через него току:

rд, Ом

+25º 8

2 –60ºС

0 5 10 15 20 25 Iпр,

Рис. 5.2. Зависимость дифференциального

сопротивления диода ГД402 от величины прямого тока

Свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. При повышении температуры снижается статическое и дифференциальное сопротивление диода (рис. 5.2), соответственно, возрастают прямой и обратный токи диода. У германиевых диодов обратный ток увеличивается в 2 раза на каждые 10 ºС повышения температуры. У кремниевых диодов прямой ток диода растет при нагреве не столь сильно, как обратный, так как его величина определяется концентрацией легирующей примеси. При возрастании температуры ВАХ диода сдвигается влево.

5.3. Рабочийрежимдиоданапостоянномтоке. Применение диодовдлявыпрямленияпеременноготока.

В электронных схемах в цепь диода, как правило, включается какаялибо нагрузка, например резистор (рис. 5.3). Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной цепи не представлял бы затруднений. Но диод обладает нелинейным сопротивлением и его сопротивление изменяется при изменении тока. Потому расчет режима диода

 Электроника. Конспект лекций

-70-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

по постоянному току делается графически. Он основывается на использовании статической ВАХ диода (рис. 5.3). При этом на ВАХ строится

линия нагрузки или нагрузочная характеристика.

Она устанавливает связь между током через диод I напряжением на диоде U, сопротивлением нагрузки Rн и ЭДС источника питания Е и определяется выражением

I = (Е – U)/Rн,

(5.6)

которое следует из второго закона Кирхгофа для цепи, содержащей диод, сопротивление нагрузки и источник питания:

Построение линии нагрузки производится по точкам ее пересечения с осями координат. При I = 0 получаем U = Е, откладываем на оси напряжений значение Е, получаем точку А. При U = 0 получаем I = Е/Rн, откладываем это значение по оси токов, получаем точку Б. Соединяя эти точки, получаем линию нагрузки. Пересечение линии нагрузки и ВАХ диода (точка Т) дают решение поставленной задачи.

	Б	I			I
Rн
VD	E/R		Т		Г
VD			Т		Г
	I			A U	u/R	A U
					u/R
E	0	U	U		В
	0	U	U	0	u
			E		E

Рис. 5.3. Схема включения диода с нагрузкой и построение линии нагрузки

При сравнительно малых Rн точка Б получается за пределами чертежа, в этом случае следует отложить от точки А влево произвольное напряжение u и от полученной очки отложить ток I = u/Rн (отрезок ВГ). Прямая, проведенная через точки В и Г, будет линией нагрузки. Иногда бывают заданы напряжение, ток и сопротивление нагрузки, а следует определить ЭДС источника питания. Во всех случаях нужно руководствоваться уравнением (5.6).

 Электроника. Конспект лекций

-71-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

Выпрямление переменного тока – один из основных процессов в радиоэлектронике. Выпрямителями в общем случае называются устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямители на основе полупроводниковых диодов применяются в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры, а также используются в качестве измерительных преобразователей, амплитудных детекторов сигналов, умножителей напряжения и др.

Существуют различные виды полупроводниковых выпрямителей, отличающиеся количеством диодов, схемой их включения, типом сглаживающего фильтра. Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 5.4, а. Она включает в себя генератор переменной ЭДС (е), диод VD и нагрузочный резистор Rн. Эта схема называется

однополупериодной схемой выпрямления с активной нагрузкой.

Для питания радиоэлектронной аппаратуры в качестве генератора переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис 5.4, б).

			Тр		V
			Тр
e	Rн Uн	U		U2	Rн Uн
		1		U2

Рис. 5.4. Схема однополупериодного выпрямителя: е – источник ЭДС, Тр – трансформатор, U1 , U2 – напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора, VD – выпрямительный диод, Rн – сопротивление нагрузки, Uн – напряжение на нагрузке

Однофазный однополупериодный выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну выпрямляемого напряжения (рис. 5.5). Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая или

среднее значение Uср.

Для однополупериодной схемы среднее значение напряжения определяется как

 Электроника. Конспект лекций

-72-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3.Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

1T / 2

∫U (5.7)sin ωtdt =Um /π = 0,318Um ,m2Uñð = T

где Um (или Еm) амплитуда напряжения источника е (для схемы рис. 5.4, б – напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2).

Рис. 5.5. Форма напряжений на входе (а) и выходе (б)

однополупериодного выпрямителя

Если напряжение источника составляет величину десятки – сотни вольт, то падением напряжения на диоде можно пренебречь и Uср ≈ 0,3 Em. При выпрямлении переменного напряжения небольшой амплитуды (единицы вольт) необходимо учитывать падение напряжения на диоде, которое может составлять до 0,6 В для маломощных германиевых диодов и более 1 В для кремниевых. Оно приводит к потере мощности на диоде и снижению коэффициента полезного действия выпрямителя.

При отрицательной полуволне все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным. Максимальное значение обратного напряжения Uобр равно амплитуде ЭДС источника (напряжения на вторичной обмотке трансформатора).

Важным параметром, характеризующим работу выпрямителя, является коэффициент пульсаций:

Он определяется как отношение амплитуды первой гармоники Um1 переменного напряжения на нагрузке, получаемой путем разложения его в

 Электроника. Конспект лекций

-73-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

ряд Фурье, к среднему значению напряжения на нагрузке. Для однополупериодного выпрямителя

Um1 = 0,5·Um = 1,57·Uср,

(5.9)

что соответствует значению коэффициента пульсаций kп = 1,57. Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дает более сложные двухполупериодные схемы выпрямления.

Для эффективного сглаживания пульсаций в выпрямительных схемах применяются сглаживающие фильтры. Простейший способ сглаживания пульсаций – включение конденсатора большой емкости Сф параллельно нагрузке (рис. 5.6). Конденсатор обеспечивает хорошее сглаживание, если его сопротивление на частоте основной гармоники пульсаций ωп намного

меньше сопротивления нагрузки:		1			<< RН.
	ω		С
				Ф
	П

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором иллюстрирует рис. 5.7, где приведены графики ЭДС источника е, тока через диод i и напряжения на конденсаторе Uc, равного напряжению на нагрузке Uн.

	Тр	V
	Тр
U1	U2	R	Сф

Рис. 5.6. Схема выпрямителя со сглаживающим фильтром

 Электроника. Конспект лекций

-74-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

Разряд

Заряд

Рис. 5.7. Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора

При включении конденсатора большой емкости средневыпрямленное значение напряжения Uср стремится к амплитудному значению Um и может достигать (0,80–0,95)Um.

Сведения о более сложных схемах выпрямления с большим числом используемых диодов – двухфазных, двухполупериодных, мостовых, с умножением напряжения, а также о других применениях выпрямительных диодов, приведены в библиографическом списке.

5.4. Моделивыпрямительныхдиодов.

На рис. 5.8, а показана эквивалентная схема (схема замещения) выпрямительного диода. Приведенная модель является малосигнальной эквивалентной схемой диода для области низких частот.

Сопротивление Rпер представляет собой нелинейное сопротивление p–n-перехода и в случае прямого включения диода очень мало. Емкость С представляет собой сумму барьерной емкости p–n-перехода и диффузионной емкости.

Анализ работы указанной схемы не представляет затруднений и ведется на основе соотношений, применяемых при анализе линейных электрических цепей.

Современные САПР (PSPICE, MICROCAP, OrCAD, DesignLab), как правило, имеют встроенные модели нелинейных компонентов, в т. ч. диодов, которые позволяют моделировать поведение схемы в широком диапазоне изменения токов и напряжений. На рис. 5.8, б приведена нелинейная схема замещения выпрямительного диода, применяемая в пакете PSPICE. Диод, изображен в виде нелинейного зависимого источника I(V), емкости p–n-перехода C и объемного сопротивления RS.

 Электроника. Конспект лекций

-75-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.4. Модели выпрямительных диодов.

	A
Rпер	RS
С		C
С	V	Vd
I(V)		Vd
I(V)
а
	K

Рис. 5.8. Линейная (а) и нелинейная (б) схемы

замещения диода

В указанной модели нелинейный зависимый источник описывается выражением

U −IRб
I = I0 (e mϕT −1) .	(5.10)

Параметры математической модели диода приведены в табл. 5.1.

					Таблица 5.1
		Параметры модели диода

Имя	Параметр			Размерн	Значение по

1		2		3	4

AF	Показатель	степени	в	–	1
	формуле фликкер-шума

 Электроника. Конспект лекций

-76-

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.4. Модели выпрямительных диодов.

							Продолжение табл. 5.1

1				2		3	4

ВV	Обратное			напряжение		В	∞
	пробоя		(положительная
	величина)
CJO Барьерная			емкость при			Ф	0
	нулевом смещении
EG	Ширина запрещенной зоны					эВ	1.11

FS	Коэффициент нелинейности					–	0.5
	барьерной				емкости
	прямосмещенного перехода
IBV	Начальный			ток	пробоя,	А	10–10
	соответствующий
	напряжению				BV
IBV	(положительная величина)					А	0
IBV	Начальный			ток	пробоя	А	0
L	низкого уровня
IKF	Предельный			ток	при	А	∞
	высоком уровне инжекции						10–14
IS	Ток	насыщения			при	А	10–14
ISR	температуре 27 °С					А	0
ISR	Параметр				тока	А	0
	рекомбинации
КF	Коэффициент			фликкер-		–	0
М	Коэффициент			лавинного		–	0.5
	умножения
N	Коэффициент инжекции					–	1
NB	Коэффициент					–	1

Vнеидеальности на участке пробоя

NB	Коэффициент		–	1
VL	неидеальности	на участке
NR	пробоя низкого уровня		–	2
NR	Коэффициент	эмиссии для	–	2
	тока ISR
RS	Объемное сопротивление		Ом	0

 Электроника. Конспект лекций

-77-

7. Полупроводниковые диоды. Выпрямительные диоды. Основные характеристики.

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

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

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

Средний обратный ток Iобр. ср — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

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

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

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

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

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

8.Диоды. Выпрямительные диоды. Устройство, вах. Применение.

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

На рис.4.1,а приведена характеристика диода с одинаковым масштабом по осям прямого (прямая ветвь) и обратного (обратная ветвь) смещений. Реальная характеристика (сплошная линия) отличается от теоретической (пунктирная кривая). На прямой ветви при больших токах заметным оказывается уже падение напряжения I_aR_обл на омических сопротивлениях областей и общее напряжение U_a на переходе будет больше напряжения , приложенного к переходу, на величинуI_aR_обл: .

На обратной ветви характеристики отличие более существенно. Во-первых, обратный ток I_обр больше I₀ и, как правило, несколько возрастает с ростом U_обр. Одной из причин этого являются токи утечки на поверхности кристалла, другой – наличие тока термогенерации, который не учитывался идеальной вольт-амперной характеристикой

Во-вторых, при больших обратных напряжениях возникает пробой р-п перехода, обусловливающий резкий рост обратного тока.

Параметры диода, характеризующие прямую ветвь (точка А, рис.4.1,б):

1. I_пр– длительно допустимый постоянный прямой ток;

2. U_a – прямое падение напряжения на диоде при постоянном прямом токе;

3. – дифференциальное сопротивление диода. Оно может быть определено из вольт-амперной характеристики по приращениям:

а также из теоретической характеристики (3.7): (4.1)

для диодов используется значительно реже, чем I_пр и U_a.

Параметры диода, характеризующие обратную ветвь (точка В):

1. U_обр._max– допустимое обратное напряжение на диоде, при котором не происходит пробоя даже в наихудших условиях. Оно задается с достаточным запасом по отношению к U_проб:

, (4.2)

где m – коэффициент запаса. В зависимости от типа диода коэффициент запаса находится в пределах 0,4–0,7 /4,5/.

2. I_обр– постоянный обратный ток, протекающий через диод при постоянном обратном напряжении U_обр._max.

Необходимо отметить, что приведенные выше параметры определены по статической вольт-амперной характеристике, снятой при постоянном токе. Для некоторых типов диодов набор параметров и способ их задания отличаются от приведенных, на что будет указано при рассмотрении некоторых разновидностей диодов.

1.1.4. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода (приставка «ди-» означает два) и содержит один p-n-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участка с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологиям изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь р-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми. Материалом для таких диодов служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой ( с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебречь им нельзя.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода и полярность напряжения на электродах приведено на рис. 3а, а его структура на рис. 1.3б. Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом (А), а электрод, подключенный к области n, — катодом (К). Статистическая вольт-амперная характеристика соответствует вольт-амперной характеристике p-n-перехода(рис. 1.2) и показана на рис. 1.3в.

Рис. 1.3 Условное графическое обозначение полупроводникового диода (а), его структура (б), вольт- амперная характеристика (в)

Основными параметрами выпрямительных диодов является прямое напряжение U_пр, которое нормируется при определенном прямом токе I_пр; максимально допустимой прямой ток диода _I_{пр.
макс}; максимально допустимое обратное напряжение диода U_{пр.макс}; обратный ток диода I_обр, который нормируется при определенном обратном напряжении. Сопоставление параметров различных выпрямительных диодов дано в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Значения параметров выпрямительных диодов.

Тип диода

Максимальный допустимый прямой ток I_{пр.макс}, А

Максимальное допустимое обратное напряжение U_{обр.макс}, В

Обратный ток

I_обр, мкА

Межэлектродная емкость, пФ

Низкочастотный маломощный

Низкочастотный мощный

Высокочастотный

0,1 — 1,0

1 — 2000

0,01 — 0,5

200 — 1000

200 — 4000

10 — 100

1 — 200

400 — 5000

0,1 — 50

0,3 — 15

Для получения более высокого обратного напряжения полупроводниковые диоды можно включить последовательно. Для последовательного включения подходящими являются диоды с идентичными характеристиками. В настоящее время выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр.макс} таких столбов лежит в пределах 2÷40 кВ.

Более сложные соединения диодов имеются в силовых диодных сборках. В них для увеличения прямого тока диоды соединяются параллельно, для увеличения обратного напряжения — последовательно и часто осуществляются соединения, облегчающие применение диодов в конкретных выпрямительных устройствах. Так выпрямительные мосты на кремниевых диодах специально предназначены для использования в однофазных и трехфазных мостовых выпрямителях.

К специальным полупроводниковым диодам относят приборы, в которых используются особые свойства p-n-переходов: управляемая полупроводниковая емкость — варикапы; лавинный (электрический) пробой — стабилитроны; фотоэффект — фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов — светодиоды; многослойные диоды — динисторы. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие, как тиристоры и двухбазовые диоды.

Варикапы — это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость p-n-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и с увеличением его уменьшается. Схематическое изображение варикапа приведено на рис.1.4а, а его вольт-амперная характеристика — на рис.1.4б. Основным параметром варикапа является; его начальная емкость С, коэффициент перекрытия по емкости К.

Рис. 1.4. Схематичное изображение варикапа (а) и зависимость емкости варикапа от обратного напряжения (б)

Коэффициент перекрытия по емкости определяется как отношение максимальной емкости Сварикапа к его минимальной емкости С

Варикапы находят применение в различных электронных схемах: модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой, параметрических усилителях и генераторах и др.

Стабилитроны — это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного (электрического) пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n-перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго.

На рис. 1.5а показано схематическое изображение стабилитрона, а на рис. 1.5б приведены их вольт-амперныые характеристики.

Из вольт-амперных характеристик рис. 1.5 видно, что при изменении тока через стабилитрон ∆I_стнапряжение на стабилитроне U_cт практически постоянно.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис 1.5б штриховой линией показано перемещение вольт-амперных характеристик при увеличении температуры. Очевидно, что повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при U_cт> 5В и уменьшает его при U_cт< 5В. Иначе говоря стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U_cт< 5В – отрицательный. При U_cт=6… 5В ТКН близок к нулю.

Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжение на диоде. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют стабисторами. В области прямого смещения р-n- перехода напряжение на нем имеет значение 0,7…2 В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление.

Рис. 1.5. Схематическое изображение стабилитронов (а) их вольт –амперные характеристики (б), идеальная характеристика (в)

Основными параметрами стабилитронов являются:

напряжение стабилизации U_cт;
температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН_ст.;
допустимый ток через стабилитрон I_cт.доп;
дифференциальное сопротивление стабилитронаR_ст =∆ Ucт/I_cт

Дифференциальное сопротивление стабилитрона – это параметр, который характеризует наклон вольт-амперной характреистики в области пробоя. На рис. 1.5в, приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью которой можно определить его дифференциальное сопротивление в основе выпрямляющего диода может использоваться не только переход между полупроводниками р- и n-типа, но и между полупроводником и металлом. Такие диоды называются диодами Шоттки.

Основной отличительной особенностью характеристик диода Шоттки является значительное меньшее прямое падение напряжения по сравнению с диодами на основе р-n-перехода. Это объясняется тем, что в диоде Шоттки одно из веществ перехода-металл, и следовательно, его электрическое сопротивление (и соответствующее падение напряжения на нем) значительно меньше, чем у полупроводника.

Другая особенность диода Шоттки- отсутствие проникновения неосновных носителей заряда из металла в полупроводник (в рассматриваемом случае – дырок, которые для n- области являются неосновными). Это значительно повышает быстродействие диодов Шоттки по сравнению с обычными диодами, так как отпадает необходимость в рассасывании таких носителей при смене полярности внешнего напряжения.

Рис. 1.6. Условное обозначение

диода Шоттки

Диоды Шоттки, у которых выпрямляющий переход представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия, нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного напыления, обладают емкостью, не превышающей 0,01 пФ. Это обеспечивает чрезвычайно малое время их переключения (доли наносекунды) и предельно высокую частоту работы (десятки гигагерц). Мощные диоды позволяют пропускать токи в десятки ампер при обратных напряжениях до 500 В. Благодаря меньшему прямому напряжению они обеспечивают более высокий КПД. Условное обозначение металлополупровдникового диода Шоттки приведено на рис. 1.6 .

Фотодиод представляет собой диод с отрытым p-n-переходом. Световой поток Ф фотодиода, падающий на открытый p-n-переход приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате чего увеличивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется световым потоком.

Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика фотодиода (а),его схематическое изображение (б)

Вольт-амперные характеристики фотодиода приведены на рис. 1.7а, а его схематичное изображение – на рис. 1.7б.

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2) холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде определяется Ф. Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. При Ф=0 существует теневой ток Is. Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6-7 порядков.

В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого хода U_xx отмеченное на рис.1.7 а, лежит на горизонтальной оси. Таким образом, при I=0 область р заряжается положительно, а область h – отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется разность потенциалов, называемая фото-ЭДС (Е_ф). Е_ф равна напряжении U_xx и не может превышать контактной – разности потенциалов U_kДля кремниевых фотодиодов напряжения U_xx<0,7B.

Для режима холостого хода характерна логарифмическая зависимость выходного напряжения от освещенности, причем выходное напряжение не превышает некоторого определенного значения при любой освещенности.

Фотодиоды находят применение как приемники энергии оптического излучения. Так солнечные батареи изготавливаются на основе фотодиодов с Светоизлучающие диоды (светодиоды) преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла, т.е. без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной.


Рис. 1.8 Условное схематическое изображение светодиода (а) и спектральные характеристики излучения (б)

В светодиоде преобладает рекомбинация с излучение света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять полупроводниковый материал, из которого изготовлен светодиод. На рис.1.8 а, показано схематическое изображение светодиода, а на рис. 1.8 б приведены спектральные характеристики излучения.

Для изготовления светодиодов наиболее часто используются фосфид галлия или арсенид галлия. Для диодов видимого излучения часто используют фосфид-арсенида галлия.

Светодиоды изготавливают как в виде отделенных индикаторов, так и в виде семисегментых или точечных матриц. Семисегментные матрицы состоят из семи светящихся полосок- сегментов, из которых можно синтезировать изображение любой цифры от 0 до 9 (такие матрицы используются, например, в электронных часах с цифровой индикацией). В точечных матрицах изображение формируется из светящихся точек. На основе точечных матриц можно синтезировать уже не только изображение цифры, но и любого индицируемого знака (буква, специального символа и т.д.).

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре, которая получила название оптрон. При этом они помещаются в один корпус (рис. 1.9) таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода.

Оптроны широко используются в электронной аппаратуре для гальванической развязки входных и выходных цепей. Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Использование оптронов в электронно-вычислительных устройствах является одним из основных методов повышения помехоустойчивости аппаратуры.

Рис. 1.9. Оптрон:

1- светодиод; 2-фотодиод

Основной носитель помех в радиоэлектронной аппаратуре – корпус. Корпус используется как один их полюсов электропитания, поэтому подключение к нему разных силовых устройств приводит к наведению кратковременных импульсных помех при коммутациях сильноточных цепей. В то же время для передачи информации чисто электрическим путем между устройствами- источником и приемником информации – должна быть электрическая связь по корпусу. Если к этому же корпусу подключены силовые цепи, то помехи, вызванные коммутациями в этих цепях, приводят к сбоям в работе других устройств, подключенных к корпусу.

Передача информации с помощью оптронов позволяет развязать электрические цепи питания источника и приемника информации, так как носителем информации является электрически нейтральное оптическое излучение. Таким образом, устройства могут иметь разные корпуса, т.е. оказываются гальванически развязанными и не подверженными воздействию помех.

Кроме защиты от воздействия помех, гальваническая развязка на основе оптронов позволяет решить еще одну задачу – совместную работу устройств, находящихся под разными потенциалами. Любая, даже небольшая, разность потенциалов не позволяет чисто электрически соединять разные устройства, поскольку это приведет к выходу их из строя. Передача сигнала в оптроне возможна, даже если цепи светодиода и фотодиода находятся под разными (в некоторых оптронах до 500 В) напряжениями. Таким образом, устройства, информационно связанные с помощью оптрона, могут находится под разными электрическими потенциалом.

Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой р-n-перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной – сплавление, диффузия, эпитаксия, — что в значительной мере определяет характеристики прибора.

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n-транзисторы и p-n-p-транзисторы. Упрощенное устройство плоскостного n-p-n-транзистора приведено приведено на рис. 1.10а, его условное обозначение – на рис. 1.10 б, а схема замещения – на рис. 1.10 в. Аналогичные представления для p-n-p-транзистора приведены на рис. 1.10 г, д, е.

Средняя часть рассматриваемых структур называется базой- Б, одна крайняя область — коллектором- К (накопитель электронов), а другая – эмиттером — Э (источник электронов). В несимметричных структурах электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частотного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. Полярность напряжений, приложенных к электродам транзистора, показана на рис. 1.10 в,д.

Рис.1.10. Устройство n-p-n-транзистора (a), его схематическое изображение-(б) и схема завещания (в). Устройство p-n-p- транзистора (г), его схематическое изображение (д) и схема замещения (е)

В линейном режиме работы транзистора рис. 1.10 эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки – в обратном.

Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а между коллектором и базой – коллекторным. На рис. 1.11 показаны структура транзистора, n-p-n-типа. Конструктивной особенностью биполярных транзисторов является то, что база выполнена слаболегированной, т.е. основных носителей зарядов в ней намного меньше чем в эмиттере и коллекторе.

Рассмотрим работу транзистора типа n-p-n. Между коллектором и базой приложено относительно высокое обратное напряжение U_КБ (рис. 1.11). При отсутствии эмиттерного тока I_Э небольшой обратный ток I_К0 через закрытый коллекторный переход обусловлен движением только неосновных носителей заряда (для транзистора типа n-p-n коллектор). Ток I_К0 не зависит от тока эмиттера, но существенно зависит от температуры и с ее повышением возрастает. Обратный коллекторный ток обычно составляет 10÷100 мкА у германиевых и 0,1÷10 мкА у кремниевых транзисторов.

Рис. 1.11. Движение носителей заряда в транзисторе типа n-p-n

При подаче на переход база-эмиттер прямого напряжения U_ЭБот источника питания возникает эмиттерный ток I_Э,основные носители заряда – электроны преодолевают переход и попадают в базу. База выполнена из обедненного носителями заряда p-полупроводника и для нее электроны являются неосновными носителями заряда. Попавшие в область базы электроны частично рекомбинируют с дырками базы. Но поскольку толщина базы небольшая и концентрация дырок в базе низкая, рекомбинируют лишь немногие электроны, образуя базовый ток I_Б. Большинство же электронов, попав в ускоряющее электрическое поле вблизи коллекторного p-n-перехода, втягиваются в коллектор, свободно проходя через закрытый p-n-переход. Эта составляющая коллекторного тока мало зависит от напряжения на коллекторном p-n-переходе, т.е. при наличии электрического поля все электроны, за исключением рекомбинировавших, попадают в коллектор. Очевидно, что ток коллектора всегда меньше тока эмиттера на значение тока базы и практически равен току эмиттера.

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

Для современных биполярных транзисторов α=0,9÷0,995. При I_э≠0 коллекторный ток транзистора

Таким образом, входным (управляющим) током является эмиттерный ток, а выходным – коллекторный.

Транзисторы p-n-p работают аналогично, только полярности внешних источников меняются на противоположные.

В зависимости от того, какой электрод транзистора используется в качестве общего вывода для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Рассмотренная на рис. 1.11 схема включения называется схемой с ОБ, на практике она используется редко. Наиболее распространенной является схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (рис.1.12). Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы

Малое значение тока базы во входном контуре и обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером.

Рис. 1.12. Включение транзистора типа n-p-n по схеме с общим эмиттером

Рис. 1.13. Входная (а) и выходные (б) вольт-амперные

характеристики биполярного транзистора

Для анализа работы транзистора и для расчетов схем при больших сигналах часто используют вольт-амперную характеристику (ВАХ) транзистора. На рис. 1.13 показаны типовые ВАХ маломощного биполярного транзистора по схеме включения с ОЭ. Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора I_Б=f₁(U_БЭ) называют входной или базовой характеристикой транзистора (рис. 1.13,а). Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы I_К=f₂(U_КЭ)|_I_б=_const называют семейством выходных (коллекторных) ВАХ транзистора ( рис. 1.1.13,б). Входная характеристика практически не зависит от напряжения U_КЭ, а выходные приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения U_КЭ. Для аналитических расчетов устройств с биполярными транзисторами используют h-параметры транзисторов.

Параметры h могут быть легко определены по входной и выходным характеристикам транзистора с учетом приведенных выше зависимостей.

Параметр h₁₁ имеет размерность сопротивления, он представляет собой входное сопротивление биполярного транзистора. Параметр h₁₂ – безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению. Его значения лежат в пределах 0,002 – 0,0002 и в большинстве случаев им можно пренебречь, т.е. полагать равным нулю. Параметр h₂₁ – коэффициент передачи тока, характеризующий усилительные (по току) свойства транзистора при постоянном напряжении на коллекторе. Параметр h₂₂ имеет размерность проводимости и характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы.

Характеристики транзистора сильно зависят от температуры. С повышением температуры резко возрастает начальный коллекторный ток I_К0вследствие значительного увеличения количества неосновных носителей заряда в коллекторе и базе. В то же время несколько увеличивается и коэффициент h₂₁ из-за увеличения подвижности носителей заряда. h-параметры транзистора, особенно коэффициент передачи тока h₂₁, зависят от частоты переменного напряжения, при котором производят измерения приращений токов и напряжений ΔI_Б, Δ_I_К, ΔU_БЭ, ΔU_КЭ, так как на высоких частотах начинает сказываться конечное время, за которое носители заряда (в транзисторе типа n-p-n это электроны) проходят расстояние от эмиттера до коллектора транзистора.

Частоту, на которой коэффициент передачи тока h₂₁ уменьшается до единицы, называют граничной частотой коэффициента передачи тока f_ГР. На практике часто используют частоту f₀, на которой параметр h₂₁ уменьшается в раза.

Рис. 1.14. Рабочая область выходных ВАХ биполярного транзистора

Для предотвращения перегрева коллекторного p-n-перехода необходимо, чтобы его мощность не превышала некоторого максимального значения:

P_К=I_К U_КЭ≤P_К
макс.

Таким образом, ограничивающей кривой на коллекторных характеристиках является зависимость I_К=P_К
макс/U_КЭ.

В целях увеличения допустимой мощности коллектора P_К
макс в мощных транзисторах коллектор для улучшения теплоотвода соединяют с металлическим корпусом транзистора, а сам транзистор монтируют на специальном радиаторе.

Ограничение по допустимой мощности коллектора не является единственным. Если между коллектором и эмиттером приложено слишком высокое напряжение, то может произойти электрический пробой коллекторного p-n-перехода, поэтому необходимо, чтобы при работе транзистора коллекторное напряжение было меньше допустимого:

U_КЭ≤U_{КЭ
макс}.

Существует аналогичное ограничение и по коллекторному току

I_К≤I_К
макс,

которое обусловлено допустимым нагревом эмиттерного перехода.

Область, выделенная этими тремя ограничивающими линиями (рис. 1.14), является рабочей областью характеристик транзистора.

Из емкости p-n-переходов существенное значение имеет только емкость коллекторного перехода C_КБ.

Входное сопротивление биполярных транзисторов составляет (10÷100) Ом, выходное (1÷10) кОм.

Диапазоны значений остальных параметров отечественных биполярных транзисторов приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Значение параметров биполярных транзисторов.

Тип транзистора

UКЭмакс,В

PКмакс,Вт

IКмакс,А

fГР,МГц

CКБ,пФ

h31

Маломощный

Средней мощности

Большой мощности

10-80

12-500

20-1500

00,1-0,3

0,3-3,0

3,0-100

00,1-0,4

≤10

≤50

1,0-8000

1,0-100

0,2-10

1-10

5-100

10-1000

20-1000

20-600

20-200

1.1.4. Полупроводниковые диоды

Рис. 1.3 Условное графическое обозначение полупроводникового диода- а, его структура- б, вольт- амперная характеристика -в

Таблица 1.1. Значения параметров выпрямительных диодов.

Тип диода

Максимальный допустимый прямой ток I_{пр.макс}, А

Максимальное допустимое обратное напряжение U_{обр.макс}, В

Обратный ток

I_обр, мкА

Межэлектродная емкость, пФ

Низкочастотный маломощный

Низкочастотный мощный

Высокочастотный

0,1 — 1,0

1 — 2000

0,01 — 0,5

200 — 1000

200 — 4000

10 — 100

1 — 200

400 — 5000

0,1 — 50

0,3 — 15

Рис. 1.4. Схематичное изображение варикапа –а и зависимость емкости варикапа от обратного напряжения — б

Рис. 1.5. Схематическое изображение стабилитронов- а их вольт –амперные характеристики- б, идеальная характеристика- в

Основными параметрами стабилитронов являются:

напряжение стабилизации U_cт;
температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН_ст.;
допустимый ток через стабилитрон I_cт.доп;
дифференциальное сопротивление стабилитронаR_ст =∆ Ucт/I_cт

Рис. 1.6 Условное обозначение

диода Шоттки

Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика фотодиода (а),его схематическое изображение (б)

Вольт-амперные характеристики фотодиода приведены на рис. 1.7а, а его схематичное изображение – на рис. 1.7б.


Рис. 1.8 Условное схематическое изображение светодиода (а) и спектральные характеристики излучения (б)

Рис. 1.9. Оптрон:

1- светодиод; 2-фотодиод

Биполярные транзисторы

Рис.1.10. Устройство n-p-n-транзистора-a, его схематическое изображение-б и схема завещания в. Устройство p-n-p- транзистора г, его схематическое изображение-д и схема замещения-е

Рис. 1.11. Движение носителей заряда в транзисторе типа n-p-n

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

Для современных биполярных транзисторов α=0,9÷0,995. При I_э≠0 коллекторный ток транзистора

Таким образом, входным (управляющим) током является эмиттерный ток, а выходным – коллекторный.

Транзисторы p-n-p работают аналогично, только полярности внешних источников меняются на противоположные.

Малое значение тока базы во входном контуре и обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером.

Рис. 1.12. Включение транзистора типа n-p-n по схеме с общим эмиттером

Рис. 1.13. Входная- а и выходные- б вольт-амперные

характеристики биполярного транзистора

Рис. 1.14. Рабочая область выходных ВАХ биполярного транзистора

P_К=I_К U_КЭ≤P_К
макс.

Таким образом, ограничивающей кривой на коллекторных характеристиках является зависимость I_К=P_К
макс/U_КЭ.

U_КЭ≤U_{КЭ
макс}.

Существует аналогичное ограничение и по коллекторному току

I_К≤I_К
макс,

которое обусловлено допустимым нагревом эмиттерного перехода.

Из емкости p-n-переходов существенное значение имеет только емкость коллекторного перехода C_КБ.

Входное сопротивление биполярных транзисторов составляет (10÷100) Ом, выходное (1÷10) кОм.

Диапазоны значений остальных параметров отечественных биполярных транзисторов приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Значение параметров биполярных транзисторов.

Тип транзистора

UКЭмакс,В

PКмакс,Вт

IКмакс,А

fГР,МГц

CКБ,пФ

h31

Маломощный

Средней мощности

Большой мощности

10-80

12-500

20-1500

00,1-0,3

0,3-3,0

3,0-100

00,1-0,4

≤10

≤50

1,0-8000

1,0-100

0,2-10

1-10

5-100

10-1000

20-1000

20-600

20-200

13. Технологии изготовления полупроводниковых диодов

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл — полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов.

Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и других веществ. Рассмотрим, как создается p-n переход при использовании донорной примеси, этот переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Эта толщина должна быть не больше межатомных расстояний. По этому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индии индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия преобразуется область с проводимостью р-типа. Остальная часть образца германии, в которую атомы индия нс проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между областями возникает p-n переход. В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий — анодом.

14. Классификация диодов.

Понятие полупроводниковые диоды объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Диоды делятся:

по принципу работы: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ- и СВЧ- диоды), импульсные, полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные, варикапы и др.

по конструктивно — технологическим особенностям: плоскостные и точечные

по типу используемого материала: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.

Описание различных диодов

Выпрямительный полупроводниковый диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямительные диоды выполняются на основе р-n- перехода и имеют две области, одна из них является более низкоомной (содержит большую концентрацию примеси), и называется эмиттером. Другая область, база — более высокоомная (содержит меньшую концентрация примеси). В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении. Как известно, прямой ток диода создается основными, а обратный — не основными носителями заряда. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию не основных носителей, чем и обусловливаются вентильные свойства диода.

Туннельный диод – полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ, обусловленный туннельным эффектом.. Падающий участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.

16. Выпрямительные схемы.

18. Т — образная схема транзистора, эквивалентная схема транзистора

Параметры Z, У и Н наз-ся внешними параметрами, так как кроме свойств самого транзистора они зависят еще и от схемы включения (ОБ, ОЭ и ОК). Поэтому иногда более удобно при расчетах использовать схемы замещения.

Тр-р в этом случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из определенного кол-ва электрических элементов (сопротивления, индуктивности, емкости и т.д.). Однако одними пассивными элементами нельзя описать усилительные свойства тр-ра.

Эквивалентная схема транзистора

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя омическими контактами, к которым присоединяются два выхода.

p-n переход

вывод вывод

Омическими контактами – называется контакт металла с полупроводником не обладающий выпрямляющими свойствами.

Электрический переход образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводимости.

Низкоомная область – эмиттер.

Высокоомная область – база.

Диоды классифицируются

По основному полупроводниковому материалу:

— кремневые

— германиевые

— арсенид галлиевые

По физической природе процесса:

— туннельные диоды

— фотодиоды

— светодиоды

и тд.

По назначению:

— выпрямительные

— импульсивные

— варикапы

— стабилитроны

По технологии изготовления электрического перехода:

— сплавные

— диффузионные

По типу электрического перехода:

— точечные

— плоскостные

Точечные диоды

Имеют очень малую площадь электрического перехода. Линейные размеры площади меньше p-n перехода, благодаря этому их ёмкость очень мала и составляет доли пФ.Применяют их для выпрямления тока высокой частоты и в импульсных схемах, всё это при очень малых токах из-за небольшой площади (токи 10-20 мА).

Плоскостные диоды

Имеют плоский электрический переход. Линейные размеры его значительно больше ширины p-n перехода (до нескольких десятков кв.см). Из-за большой барьерной емкости p-n перехода эти диоды применяются на частотах до 10 кГц. Они бывают:

— средней мощности до 1А и до 600 В;

-большой мощности до 2000 А.

Выпрямительные диоды

В этих диодах главным параметром – использование односторонней проводимости p-n перехода. И его качество (p-n перехода), зависит от того, насколько мал обратный ток.

Вольт-амперные характеристики реальных диодов очень напоминают

характеристики

p-n перехода.

Отличая вызваны родом полупроводника, температурой p-n перехода.

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя:

Импульсные диоды

Они предназначены для работы в импульсных схемах. В импульсных режимах через промежутки времени, равные единице микросекунд (мкс), диоды переключаются с прямого на обратный. При этом, каждое новое состояние диода не может установиться мгновенно, поэтому важное значение приобретают так называемые переходные процессы.

время tвос (время восcтоновления) в течение которого обратный ток изменяется от max до установившегося называется временем восстановления обратного сопротивления (или тока) диода.

Это важный параметр импульсных диодов, обычно tвосменьше десятых долей мкс.

Туннельные диоды.

Туннельным диодом называется полупроводниковый диод ,сконструированный на основе полупроводника с большим содержанием примеси, в котором при обратном и небольшом прямом напряжении возникает туннельный эффект, и вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

rдиф=dU/dI

обозначается:

Вольт – амперная

характеристика

Обратный ток туннельного диода во много раз больше чем у других диодов, поэтому они не обладают вентильным свойством. Туннельный диод обладает усилительным свойством, и может работать в схемах на участках аб как активный элемент.

Величиной тока I_0,изменяя сопротивление R_1,мы попадаем на участок первого перегиба вольт-амперной характеристики. Выходное напряжение при этом будет равняться:

U_вых=Е-I₀R₁.

Подавая переменный сигнал на вход усилителя через резистор R₂, мы изменяем ток через туннельный диод на величины:

I₀-1; I₀+1;

При увеличении тока I₀+i мы попадаем на участок характеристики соответствующий напряжению U_3,имеющий значительно большее значение напряжений. Таким образом, схема имеет усилительные свойства соответствующие ключевому режиму.

Диоды Шоттки.

Потенциальный барьер, полученный на контакте металл — полупроводник называется барьером Шоттки, а диоды на его основе — диодами Шоттки.

Условное обозначение:

Образованный на границе между металлом-полупроводником слой, располагается в полупроводнике у границы с металлом. Этот слой является запирающим, и обладает выпрямляющим свойством. В таком контакте можно обеспечить малую барьерную емкость, что позволяет создать диоды и транзисторы с идеальными характеристиками для роботы в импульсных схемах.

Выпрямительные диоды

Назначение.

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости р-n– перехода и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований, называютвыпрямительными.

В качестве выпрямительных диодов используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных р-n– переходов.

В выпрямительных диодах применяются также и p-i– переходы, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля вр-n– переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой. Для этой же цели иногда используютp⁺—p— илиn⁺—n – переходы. В таких диодах успешно разрешаются противоречивые требования, состоящие в том, чтово-первых,для получения малых обратных токов, малого падения напряжения в открытом состоянии и температурной стабильности характеристик необходимо применять материал с возможно малым удельным сопротивлением;во-вторых,для получения высокого напряжения пробоя и малой емкостир-n– перехода необходимо применять полупроводник с высоким удельным сопротивлением.

Эпитаксиальные диоды обычно имеют малое падение напряжения в открытом состоянии и высокое пробивное напряжение.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость их из-за большой площади р-n– переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

Германиевые выпрямительные диоды могут быть использованы при температурах, не превышающих 70 – 80 ^оC, кремниевые – до 120 – 150^оС, арсенид-галлиевые – до 150^оС.

Основные параметры.

Максимально допустимое обратное напряжение диода — значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности (десятки – тысячи В).
Средний выпрямленный ток диода — среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протекающего через диод (сотни мА – десятки А).
Импульсный прямой ток диода — пиковое значение импульса тока, при заданной максимальной длительности, скважности и формы импульса.
Средний обратный ток диода — среднее за период значение обратного тока (доли мкА – несколько мА).
Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока (доли В).
Средняя рассеиваемая мощность диода — средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях (сотни мВт – десятки и более Вт).
Дифференциальное сопротивление диода — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы – сотни Ом).

Импульсные диоды

Назначение.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n– перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площадир-n– перехода, поэтому допустимые мощности рассеивания у них невелики (30 – 40 мВт).

Основные параметры.

Общая емкость диода (доли пФ – несколько пФ).
Максимальное импульсное прямое напряжение .
Максимально допустимый импульсный ток .
Время установления прямого напряжения диода — интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на нем – зависит от скорости движения внутрь базы инжектированных через переход неосновных носителей заряда, в результате которого наблюдается уменьшение ее сопротивления (доли нс – доли мкс).
Время восстановления обратного сопротивления диода — интервал времени, прошедший с момента прохождения тока через нуль (после изменения полярности приложенного напряжения) до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения (порядка 0,1I, гдеI– ток при прямом напряжении;— доли нс – доли мкс).

Наличие времени восстановления обусловлено зарядом, накопленным в базе диода при инжекции. Для запирания диода этот заряд должен быть «ликвидирован». Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода неосновных носителей заряда в эмиттер. Последнее приводит к увеличению обратного тока.

По истечении времени t₁обратный ток диода уменьшится до своего статического значения.

Изменение его прекратится в момент полного рассасывания заряда, накопленного в базе.

_________________________________________________________________________________

В быстродействующих импульсных диодах широко используют диоды Шотки, в которых переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. ВАХ диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе р-n – переходов. Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Диоды Шотки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Полупроводниковые выпрямительные диоды: 1.2. Полупроводниковые диоды – Полупроводниковые диоды. Классификация и принцип работы. :: Электроника для всех

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.1. Разновидности полупроводниковых диодов.

5.2. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

7. Полупроводниковые диоды. Выпрямительные диоды. Основные характеристики.

8.Диоды. Выпрямительные диоды. Устройство, вах. Применение.

1.1.4. Полупроводниковые диоды

1.1.4. Полупроводниковые диоды

13. Технологии изготовления полупроводниковых диодов

14. Классификация диодов.

16. Выпрямительные схемы.

Полупроводниковые диоды

Точечные диоды

Импульсные диоды

Выпрямительные диоды

Импульсные диоды

Добавить комментарий Отменить ответ