ТЕМА 3. Напівпровідниковий діод
Напівпровідниковий діод - це електропреобразовательний напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом і двома висновками, в якому використовуються властивості р-n-переходу.
Напівпровідникові діоди класифікуються:
1) за призначенням: випрямні, високочастотні та надвисокочастотні (ВЧ-і СВЧ-діоди), імпульсні, напівпровідникові стабілітрони (опорні діоди), тунельні, звернені, варикапи та ін;
2) за конструктивно - технологічних особливостей: площинні і точкові;
3) за типом вихідного матеріалу: германієві, кремнієві, арсенід - галієві та ін
Малюнок 3.1 - Пристрій точкових діодів
У точковому діоді використовується платівка германію або кремнію з електропровідністю n-типу (рис.3.1), товщиною 0,1 ... 0,6 мм і площею 0,5 ... 1,5 мм 2; з платівкою стикається загострена зволікання (голка) з нанесеною на неї домішкою. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Таким чином, близько голки утворюється мініатюрний р-n-перехід напівсферичної форми.
Для виготовлення германієвих точкових діодів до пластинки германію приварюють зволікання з вольфраму, покритого індієм. Індій є для германію акцептором. Отримана область германію р-типу є емітерний.
Для виготовлення кремнієвих точкових діодів використовується кремній n-типу і зволікання, покрита алюмінієм, який служить акцептором для кремнію.
У площинних діодах р-n-перехід утворюється двома напівпровідниками з різними типами електропровідності, причому площа переходу у різних типів діодів лежить в межах від сотих часток квадратного міліметра до декількох десятків квадратних сантиметрів (силові діоди).
Площинні діоди виготовляються методами сплаву (вплавлення) або дифузії (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 - Пристрій площинних діодів, виготовлених сплавним (а) і дифузійним методом (б)
До платівки германію n-типу вплавляються при температурі близько 500 ° С краплю індію (рис. 3.2, а) яка, сплавляючись з германієм, утворює шар германію р-типу. Область з електропровідністю р-типу має більш високу концентрацію домішки, ніж основна пластинка, і тому є емітером. До основної платівці германію і до Індію припаюють вивідні зволікання, зазвичай з нікелю. Якщо за вихідний матеріал взято германій р-типу, то в нього вплавляються сурму і тоді виходить емітерна область n-типу.
Дифузійний метод виготовлення р-n-переходу заснований на тому, що атоми домішки дифундують в основний напівпровідник (рис. 3.2, б). Для створення р-шару використовують дифузію акцепторного елемента (бору або алюмінію для кремнію, індію для германію) через поверхню вихідного матеріалу.
3.1 Випрямні діоди
Випрямний напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний.
Випрямні діоди виконуються на основі р-n-переходу і мають дві області, одна з них є більш низкоомной (містить велику концентрацію домішки), і називається емітером. Інша область, база - більше високоомних (містить меншу концентрація домішки).
В основі роботи випрямних діодів лежить властивість односторонньої провідності р-n-переходу, яке полягає в тому, що останній добре проводить струм (має малий опір) при прямому включенні і практично не проводить струм (має дуже високий опір) при зворотному включенні.
Як відомо, прямий струм діода створюється основними, а зворотний - не основними носіями заряду. Концентрація основних носіїв заряду на кілька порядків перевищує концентрацію не основних носіїв, чим і зумовлюються вентильні властивості діода.
Основними параметрами випрямних напівпровідникових діодів є:
· Прямий струм діода Іпр, що нормується при певному прямій напрузі (зазвичай Uпр = 1 ... 2В);
· Максимально допустимий прямий струм Іпр мах діода;
· Максимально допустимий зворотна напруга діода Uобр мах, при якому діод ще може нормально працювати тривалий час;
· Постійний зворотній струм Iобр, що протікає через діод при зворотній напрузі, рівному Uобр мах;
· Середній випрямлений струм Iвп.ср, який може тривало проходити через діод при допустимій температурі його нагрівання;
· Максимально допустима потужність Pмах, що розсіюється діодом, при якій забезпечується задана надійність діода.
За максимально допустимого значення середнього випрямленого струму діоди поділяються на малопотужні (Iвп.ср £ 0,3 А), середньої потужності (0,3 А <Iвп.ср £ 10А) та великої потужності (Iвп.ср> 10А).
Для збереження працездатності германієвого діода його температура не повинна перевищувати +85 ° С. Кремнієві діоди можуть працювати при температурі до +150 ° С.
Малюнок 3.3 - Зміна вольт - амперної характеристики напівпровідникового діода від температури: а - для германієвого діода; б - для кремнієвого діода
Падіння напруги при пропущенні прямого струму у германієвих діодів становить DUпр = 0,3 ... 0,6 В, у кремнієвих діодів - DUпр = 0,8 ... 1,2 В. Великі падіння напруги при проходженні прямого струму через кремнієві діоди в порівнянні з прямим падіння напруги на германієвих діодах пов'язані з більшою висотою потенційного бар'єра р-n-переходів, сформованих в кремнії.
Зі збільшенням температури пряме падіння напруги зменшується, що пов'язано зі зменшенням висоти потенційного бар'єру.
При подачі на напівпровідниковий діод зворотного напруги в ньому виникає незначний зворотний струм, обумовлений рухом не основних носіїв заряду через р-n-перехід.
При підвищенні температури р-n-переходу число не основних носіїв заряду збільшується за рахунок переходу частини електронів з валентної зони в зону провідності і освіти пар носіїв заряду електрон-дірка. Тому зворотний струм діода зростає.
У випадку прикладання до діода зворотного напруги в декілька сотень вольт зовнішнє електричне поле в замикаючому шарі стає настільки сильним, що здатне вирвати електрони з валентної зони в зону провідності (ефект Зенера). Зворотний струм при цьому різко збільшується, що викликає нагрівання діода, подальшої зростання струму і, нарешті, тепловий пробій (руйнування) р-n-переходу. Більшість діодів може надійно працювати при зворотних напругах, що не перевищують (0,7 ... 0,8) Uпроб.
Допустиме зворотне напруга германієвих діодів досягає - 100 ... 400В, а кремнієвих діодів - 1000 ... 1500В.
Випрямні діоди застосовуються для випрямлення змінного струму (перетворення змінного струму в постійний); використовуються у схемах управління і комутації для обмеження паразитних викидів напруг, в якості елементів електричної розв'язки ланцюгів і т.д.
У ряді потужних перетворювальних установок вимоги до середнього значення прямого струму, зворотної напруги перевищують номінальне значення параметрів існуючих діодів. У цих випадках завдання вирішується паралельним або послідовним з'єднанням діодів.
Паралельне з'єднання діодів застосовують у тому випадку, коли потрібно отримати прямий струм, більший граничного струму одного діода. Але якщо діоди одного типу просто з'єднати паралельно, то внаслідок неспівпадання прямих гілок ВАХ вони виявляться різному навантаженими і, в деяких прямий струм буде більше граничного.
Малюнок 3.4 - Паралельне з'єднання випрямних діодів
Для вирівнювання струмів використовують діоди з малим розходженням прямих гілок ВАХ (виробляють їх підбір) або послідовно з діодами включають зрівняльні резистори з опором в одиниці Ом. Іноді включають додаткові резистори (рис. 3.4, в) з опором, у кілька разів більшим, ніж пряме опір діодів, для того щоб струм у кожному діоді визначався головним чином опором Rд, тобто Rд>> Rпр вд. Величина Rд становить сотні Ом.
Послідовне з'єднання діодів застосовують для збільшення сумарного допустимого зворотної напруги. При дії зворотної напруги через діоди, включені послідовно, протікає однаковий зворотний струм Iобр. проте зважаючи на відмінність зворотних гілок ВАХ загальну напругу буде розподілятися по діодів нерівномірно. До діоду, у якого зворотна гілка ВАХ йде вище, буде докладено більша напруга. Воно може виявитися вище граничного, що спричинить пробою діодів.
Малюнок 3.5 - Послідовне з'єднання випрямних діодів
Для того, щоб зворотне напруга розподілялося рівномірно між діодами незалежно від їх зворотних опорів, застосовують шунтування діодів резисторами. Опору Rш резисторів повинні бути однакові і значно менше найменшого із зворотних опорів діодів Rш <<rобр вд, щоб струм, що протікає через резистор Rш, був на порядок більше зворотного струму діодів.
3.2 Стабілітрони
Напівпровідниковий стабілітрон - це напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою слабо залежить від струму і який використовується для стабілізації напруги.
У напівпровідникових стабілітронах використовується властивість незначної зміни зворотної напруги на р-n-переході при електричному (лавинному або тунельному) пробої. Це пов'язано з тим, що невелике збільшення напруги на р-n-перехід в режимі електричного пробою викликає більш інтенсивну генерацію носіїв заряду і значне збільшення зворотного струму.
Низьковольтні стабілітрони виготовляють на основі сильнолегированной (низкоомного) матеріалу. У цьому випадку утворюється вузький площинних перехід, в якому при порівняно низьких зворотних напругах (менше 6В) виникає тунельний електричний пробій. Високовольтні стабілітрони виготовляють на основі слаболегірованного (високоомного) матеріалу. Тому їх принцип дії пов'язаний з лавинним електричним пробоєм.
Основні параметри стабілітронів:
· Напруга стабілізації Uст (Uст = 1 ... 1000В);
· Мінімальний Iст Міn і максимальний Iст мах струми стабілізації (Iст Міn »1,0 ... 10мА, Iст мах» 0,05 ... 2,0 А);
· Максимально допустима розсіює потужність Рмах;
· Диференціальний опір на ділянці стабілізації rд = DUст / DIст, (rд »0,5 ... 200Ом);
· Температурний коефіцієнт напруги на ділянці стабілізації:
TKU стабілітрона показує на скільки відсотків зміниться стабілізуючий напруга при зміні температури напівпровідника на 1 ° С
(TKU = -0,5 ... +0,2% / ° С).
Малюнок 3.6 - Вольт-амперна характеристика стабілітрона і його умовне графічне позначення
Стабілітрони використовують для стабілізації напруги джерел живлення, а також для фіксації рівнів напружень в різних схемах.
Стабілізацію низьковольтного напруги в межах 0,3 ... 1В можна отримати при використанні прямої гілки ВАХ кремнієвих діодів. Діод, в якому для стабілізації напруги використовується пряма гілка ВАХ, називають Стабистор. Існують також двосторонні (симетричні) стабілітрони, що мають симетричну ВАХ щодо початку координат.
Стабілітрони допускають послідовне включення, при цьому результуюче стабілізуючий напруга дорівнює сумі напруг стабілітронів:
Uст = Uст1 + Uст2 + ...
Паралельне з'єднання стабілітронів неприпустимо, тому що з-за розкиду характеристик і параметрів з усіх паралельно з'єднаних стабілітронів струм буде виникати тільки в одному, який має найменшу стабілізуючий напруга Uст, що викличе перегрів стабілітрона.
3.3 Тунельні і звернені діоди
Тунельний діод - це напівпровідниковий діод з урахуванням виродженого напівпровідника, в якому тунельний ефект призводить до появи на вольт - амперної характеристики при прямій напрузі ділянки негативного диференціального опору.
Тунельний діод виготовляється з германію або арсеніду галію з дуже великою концентрацією домішок, тобто з дуже малою питомою опором. Такі напівпровідники з малим опором називають виродженими. Це дозволяє отримати дуже вузький р-n-перехід. У таких переходах виникають умови для відносно вільного тунельного проходження електронів через потенціальний бар'єр (тунельний ефект). Тунельний ефект призводить до появи на прямий галузі ВАХ діода ділянки з негативним диференціальним опором. Тунельний ефект полягає в тому, що при досить малій висоті потенційного бар'єра можливе проникнення електронів через бар'єр без зміни їх енергії.
Основні параметри тунельних діодів:
· Піковий струм Iп - прямий струм у точці максимуму ВАХ;
· Струм западини Iв - прямий струм в точці мінімуму ВАХ;
· Ставлення струмів тунельного діода Iп / Iв;
· Напруга піку Uп - пряму напругу, відповідне піковому струму;
· Напруга западини Uв - пряму напругу, відповідне току западини;
· Напруга розчину Uрр.
Тунельні діоди використовуються для генерації та посилення електромагнітних коливань, а також у швидкодіючих перемикаючих та імпульсних схемах.
Малюнок 3.7 - Вольт-амперна характеристика тунельного діода
Звернений діод - діод на основі напівпровідника з критичною концентрацією домішок, в якому провідність при зворотній напрузі внаслідок тунельного ефекту значно більше, ніж при прямій напрузі.
Принцип дії зверненого діода заснований на використанні тунельного ефекту. Але у звернених діодах концентрацію домішок роблять менше, ніж у звичайних тунельних. Тому контактна різниця потенціалів у звернених діодів менше, а товщина р-n-переходу більше. Це призводить до того, що під дією прямого напруги прямої тунельний струм не створюється. Прямий струм у звернених діодах створюється інжекцією не основних носіїв зарядів через р-n-перехід, тобто прямий струм є дифузійним. При зворотній напрузі через перехід протікає значний тунельний струм, створюваний переміщення електронів крізь потенційний бар'єр з р-області в n-область. Робочим ділянкою ВАХ зверненого діода є зворотна гілка.
Таким чином, звернені діоди мають випрямляючих ефектом, але пропускне (проводить) напрям у них відповідає зворотному включенню, а замикає (непроводящее) - прямому включенню.
Малюнок 3.8 - Вольт-амперна характеристика зверненого діода
Навернені діоди застосовують в імпульсних пристроях, а також в якості перетворювачів сигналів (змішувачів і детекторів) в радіотехнічних пристроях.
3.4 варикапи
Варикап - це напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність ємності від величини зворотного напруги і який призначений для застосування в якості елемента з електрично керованою ємністю.
Напівпровідниковим матеріалом для виготовлення варикапів є кремній.
Основні параметри варикапів:
· Номінальна ємність Св - ємність при заданому зворотній напрузі (Св = 10 ... 500 пФ);
· Коефіцієнт перекриття по ємності
Варикапи широко застосовуються в різних схемах для автоматичного підстроювання частоти, в параметричних підсилювачах.
Малюнок 3.9 - Вольт-фарадні характеристика варикапа
3.5 Розрахунок електричних ланцюгів з напівпровідниковими діодами.
У практичних схемах в ланцюг діода включається будь-яка навантаження, наприклад резистор (рис. 3.10, а). Прямий струм проходить тоді, коли анод має позитивний потенціал щодо катода.
Режим діода з навантаженням називають робочим режимом. Якби діод мав лінійним опором, то розрахунок струму в такій схемі не уявляв б труднощів, так як загальний опір кола дорівнює сумі опору діода постійному струму Rо і опору резистора навантаження Rн. Але діод має нелінійним опором, і значення Rо у нього змінюється при зміні струму. Тому розрахунок струму роблять графічно. Завдання полягає в наступному: відомі значення Е, Rн і характеристика діода, потрібно визначити струм в ланцюзі I і напруга на діоді Uд.
Малюнок 3.10
Характеристику діода слід розглядати як графік деякого рівняння, що зв'язує величини I і U. А для опору Rн подібним рівнянням є закон Ома:
Отже, є два рівняння з двома невідомими I і U, причому одне з рівнянь дано графічно. Для розв'язання цієї системи рівнянь треба побудувати графік другого рівняння і знайти координати точки перетину двох графіків.
Рівняння для опору Rн - це рівняння першого ступеня відносно I і U. Його графіком є пряма лінія звана лінією навантаження. Вона будується за двома точками на осях координат. При I = 0 з рівняння (3.1) отримуємо: Е - U = 0 або U = Е, що відповідає точці А на рис. 3.10, б. А якщо U = 0, то I = E / Rн. відкладаємо цей струм на осі ординат (точка Б). через точки А і Б проводимо пряму, яка є лінією навантаження. Координати точки D дають рішення поставленої задачі.
Слід зазначити, що графічний розрахунок режиму діода можна не робити, якщо Rн>> Rо. У цьому випадку допустимо знехтувати опором діода і визначати струм наближено: I »E / Rн.
Розглянутий метод розрахунку постійної напруги можна застосувати для амплітудних або миттєвих значень, якщо джерело дає змінну напругу.
Оскільки напівпровідникові діоди добре проводять струм в прямому напрямку і погано в зворотному, то більшість напівпровідникових діодів застосовується для випрямлення змінного струму.
Найпростіша схема для випрямлення змінного струму показана на рис. 3.11. У ній послідовно з'єднаний джерело змінного ЕРС - е, діод VD і навантажувальний резистор Rн. Ця схема називається однополуперіодної.
Робота найпростішого випрямляча відбувається наступним чином. Протягом одного напівперіоду напруга для діода є прямим і проходить струм, що створює на резисторі Rн падіння напруги UR. Протягом наступного напівперіоду напруга є зворотним, струму практично немає і UR = 0. Таким чином, через діод, навантажувальний резистор проходить пульсуючий струм у вигляді імпульсів, які тривають полперіода. Цей струм називають випрямленою струмом. Він створює на резисторі Rн випрямлена напруга. Графіки на рис. 3.11, б ілюструють процеси у випрямлячі.
Малюнок 3.11
Амплітуда позитивних півхвиль на діоді дуже мала. Це пояснюється тим, що коли проходить прямий струм, то більша частина напруги джерела падає на навантажувальному резистори Rн, опір якого значно перевищує опір діода. У цьому випадку
Для звичайних напівпровідникових діодів пряму напругу не більше 1 ... 2В. Наприклад, нехай джерело має чинне напруга Е = 200В та
При негативній полуволне напруги, що підводиться струму практично немає і падіння напруги на резисторі Rн дорівнює нулю. Вся напруга джерела докладено до діода і є для нього зворотною напругою. Таким чином, максимальне значення зворотного напруги дорівнює амплітуді ЕРС джерела.
Найпростіша схема застосування стабілітрона наведена на рис. 3.12, а. Навантаження (споживач) включена паралельно стабілітрону. Тому, в режимі стабілізації, коли напруга на стабілітроні майже постійно, таке ж напруга буде і на навантаженні. Зазвичай Rогр розраховують для середньої точки Т характеристики стабілітрона.
Розглянемо випадок, коли Е = const, а Rн змінюється в межах від Rн min до Rн max ..
Значення Rогр можна знайти за такою формулою:
де Iср = 0,5 (Iст min + Iст max) - середній струм стабілітрона;
Iн = Uст / Rн - струм навантаження (при Rн = const);
Iн.ср = 0,5 (Iн min + Iн max), (при Rн = var),
причому
Малюнок 3.12
Роботу схеми в даному режимі можна пояснити так. Оскільки Rогр постійно і падіння напруги на ньому, рівне (Е - Uст), також постійно, то і струм в Rогр, рівний (Iст + Iн.ср), повинен бути постійним. Але останнє можливо тільки в тому випадку, якщо струм стабілітрона I і струм навантаження Iн змінюються в однаковій мірі, але в протилежні сторони. Наприклад, якщо Iн збільшується, то струм I на стільки ж зменшується, а їх сума залишається незмінною.
Принцип дії стабілітрона розглянемо на прикладі ланцюга, що складається з послідовно з'єднаного джерела змінної ЕРС - е, стабілітрона VD і резистора R (рис. 3.13, а).
У позитивний напівперіод на стабілітрон подається зворотна напруга, і до величини напруги пробою стабілітрона всі напруга прикладається до стабілітрону, тому що струм в ланцюзі дорівнює нулю. Після електричного пробою стабілітрона напруга на стабілітроні VD залишається без змін і що все залишилося напруга джерела ЕРС буде докладено до резистору R. У негативний напівперіод стабілітрон включений в проводяться напрямку, падіння напруги на ньому порядку 1В, а решту напруга джерела ЕРС докладено до резистору R.
Малюнок 3.13
Напівпровідниковий діод - це електропреобразовательний напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом і двома висновками, в якому використовуються властивості р-n-переходу.
Напівпровідникові діоди класифікуються:
1) за призначенням: випрямні, високочастотні та надвисокочастотні (ВЧ-і СВЧ-діоди), імпульсні, напівпровідникові стабілітрони (опорні діоди), тунельні, звернені, варикапи та ін;
2) за конструктивно - технологічних особливостей: площинні і точкові;
3) за типом вихідного матеріалу: германієві, кремнієві, арсенід - галієві та ін
Малюнок 3.1 - Пристрій точкових діодів
У точковому діоді використовується платівка германію або кремнію з електропровідністю n-типу (рис.3.1), товщиною 0,1 ... 0,6 мм і площею 0,5 ... 1,5 мм 2; з платівкою стикається загострена зволікання (голка) з нанесеною на неї домішкою. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Таким чином, близько голки утворюється мініатюрний р-n-перехід напівсферичної форми.
Для виготовлення германієвих точкових діодів до пластинки германію приварюють зволікання з вольфраму, покритого індієм. Індій є для германію акцептором. Отримана область германію р-типу є емітерний.
Для виготовлення кремнієвих точкових діодів використовується кремній n-типу і зволікання, покрита алюмінієм, який служить акцептором для кремнію.
У площинних діодах р-n-перехід утворюється двома напівпровідниками з різними типами електропровідності, причому площа переходу у різних типів діодів лежить в межах від сотих часток квадратного міліметра до декількох десятків квадратних сантиметрів (силові діоди).
Площинні діоди виготовляються методами сплаву (вплавлення) або дифузії (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 - Пристрій площинних діодів, виготовлених сплавним (а) і дифузійним методом (б)
До платівки германію n-типу вплавляються при температурі близько 500 ° С краплю індію (рис. 3.2, а) яка, сплавляючись з германієм, утворює шар германію р-типу. Область з електропровідністю р-типу має більш високу концентрацію домішки, ніж основна пластинка, і тому є емітером. До основної платівці германію і до Індію припаюють вивідні зволікання, зазвичай з нікелю. Якщо за вихідний матеріал взято германій р-типу, то в нього вплавляються сурму і тоді виходить емітерна область n-типу.
Дифузійний метод виготовлення р-n-переходу заснований на тому, що атоми домішки дифундують в основний напівпровідник (рис. 3.2, б). Для створення р-шару використовують дифузію акцепторного елемента (бору або алюмінію для кремнію, індію для германію) через поверхню вихідного матеріалу.
3.1 Випрямні діоди
Випрямний напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний.
Випрямні діоди виконуються на основі р-n-переходу і мають дві області, одна з них є більш низкоомной (містить велику концентрацію домішки), і називається емітером. Інша область, база - більше високоомних (містить меншу концентрація домішки).
В основі роботи випрямних діодів лежить властивість односторонньої провідності р-n-переходу, яке полягає в тому, що останній добре проводить струм (має малий опір) при прямому включенні і практично не проводить струм (має дуже високий опір) при зворотному включенні.
Як відомо, прямий струм діода створюється основними, а зворотний - не основними носіями заряду. Концентрація основних носіїв заряду на кілька порядків перевищує концентрацію не основних носіїв, чим і зумовлюються вентильні властивості діода.
Основними параметрами випрямних напівпровідникових діодів є:
· Прямий струм діода Іпр, що нормується при певному прямій напрузі (зазвичай Uпр = 1 ... 2В);
· Максимально допустимий прямий струм Іпр мах діода;
· Максимально допустимий зворотна напруга діода Uобр мах, при якому діод ще може нормально працювати тривалий час;
· Постійний зворотній струм Iобр, що протікає через діод при зворотній напрузі, рівному Uобр мах;
· Середній випрямлений струм Iвп.ср, який може тривало проходити через діод при допустимій температурі його нагрівання;
· Максимально допустима потужність Pмах, що розсіюється діодом, при якій забезпечується задана надійність діода.
За максимально допустимого значення середнього випрямленого струму діоди поділяються на малопотужні (Iвп.ср £ 0,3 А), середньої потужності (0,3 А <Iвп.ср £ 10А) та великої потужності (Iвп.ср> 10А).
Для збереження працездатності германієвого діода його температура не повинна перевищувати +85 ° С. Кремнієві діоди можуть працювати при температурі до +150 ° С.
Малюнок 3.3 - Зміна вольт - амперної характеристики напівпровідникового діода від температури: а - для германієвого діода; б - для кремнієвого діода
Падіння напруги при пропущенні прямого струму у германієвих діодів становить DUпр = 0,3 ... 0,6 В, у кремнієвих діодів - DUпр = 0,8 ... 1,2 В. Великі падіння напруги при проходженні прямого струму через кремнієві діоди в порівнянні з прямим падіння напруги на германієвих діодах пов'язані з більшою висотою потенційного бар'єра р-n-переходів, сформованих в кремнії.
Зі збільшенням температури пряме падіння напруги зменшується, що пов'язано зі зменшенням висоти потенційного бар'єру.
При подачі на напівпровідниковий діод зворотного напруги в ньому виникає незначний зворотний струм, обумовлений рухом не основних носіїв заряду через р-n-перехід.
При підвищенні температури р-n-переходу число не основних носіїв заряду збільшується за рахунок переходу частини електронів з валентної зони в зону провідності і освіти пар носіїв заряду електрон-дірка. Тому зворотний струм діода зростає.
У випадку прикладання до діода зворотного напруги в декілька сотень вольт зовнішнє електричне поле в замикаючому шарі стає настільки сильним, що здатне вирвати електрони з валентної зони в зону провідності (ефект Зенера). Зворотний струм при цьому різко збільшується, що викликає нагрівання діода, подальшої зростання струму і, нарешті, тепловий пробій (руйнування) р-n-переходу. Більшість діодів може надійно працювати при зворотних напругах, що не перевищують (0,7 ... 0,8) Uпроб.
Допустиме зворотне напруга германієвих діодів досягає - 100 ... 400В, а кремнієвих діодів - 1000 ... 1500В.
Випрямні діоди застосовуються для випрямлення змінного струму (перетворення змінного струму в постійний); використовуються у схемах управління і комутації для обмеження паразитних викидів напруг, в якості елементів електричної розв'язки ланцюгів і т.д.
У ряді потужних перетворювальних установок вимоги до середнього значення прямого струму, зворотної напруги перевищують номінальне значення параметрів існуючих діодів. У цих випадках завдання вирішується паралельним або послідовним з'єднанням діодів.
Паралельне з'єднання діодів застосовують у тому випадку, коли потрібно отримати прямий струм, більший граничного струму одного діода. Але якщо діоди одного типу просто з'єднати паралельно, то внаслідок неспівпадання прямих гілок ВАХ вони виявляться різному навантаженими і, в деяких прямий струм буде більше граничного.
Малюнок 3.4 - Паралельне з'єднання випрямних діодів
Для вирівнювання струмів використовують діоди з малим розходженням прямих гілок ВАХ (виробляють їх підбір) або послідовно з діодами включають зрівняльні резистори з опором в одиниці Ом. Іноді включають додаткові резистори (рис. 3.4, в) з опором, у кілька разів більшим, ніж пряме опір діодів, для того щоб струм у кожному діоді визначався головним чином опором Rд, тобто Rд>> Rпр вд. Величина Rд становить сотні Ом.
Послідовне з'єднання діодів застосовують для збільшення сумарного допустимого зворотної напруги. При дії зворотної напруги через діоди, включені послідовно, протікає однаковий зворотний струм Iобр. проте зважаючи на відмінність зворотних гілок ВАХ загальну напругу буде розподілятися по діодів нерівномірно. До діоду, у якого зворотна гілка ВАХ йде вище, буде докладено більша напруга. Воно може виявитися вище граничного, що спричинить пробою діодів.
Малюнок 3.5 - Послідовне з'єднання випрямних діодів
Для того, щоб зворотне напруга розподілялося рівномірно між діодами незалежно від їх зворотних опорів, застосовують шунтування діодів резисторами. Опору Rш резисторів повинні бути однакові і значно менше найменшого із зворотних опорів діодів Rш <<rобр вд, щоб струм, що протікає через резистор Rш, був на порядок більше зворотного струму діодів.
3.2 Стабілітрони
Напівпровідниковий стабілітрон - це напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою слабо залежить від струму і який використовується для стабілізації напруги.
У напівпровідникових стабілітронах використовується властивість незначної зміни зворотної напруги на р-n-переході при електричному (лавинному або тунельному) пробої. Це пов'язано з тим, що невелике збільшення напруги на р-n-перехід в режимі електричного пробою викликає більш інтенсивну генерацію носіїв заряду і значне збільшення зворотного струму.
Низьковольтні стабілітрони виготовляють на основі сильнолегированной (низкоомного) матеріалу. У цьому випадку утворюється вузький площинних перехід, в якому при порівняно низьких зворотних напругах (менше 6В) виникає тунельний електричний пробій. Високовольтні стабілітрони виготовляють на основі слаболегірованного (високоомного) матеріалу. Тому їх принцип дії пов'язаний з лавинним електричним пробоєм.
Основні параметри стабілітронів:
· Напруга стабілізації Uст (Uст = 1 ... 1000В);
· Мінімальний Iст Міn і максимальний Iст мах струми стабілізації (Iст Міn »1,0 ... 10мА, Iст мах» 0,05 ... 2,0 А);
· Максимально допустима розсіює потужність Рмах;
· Диференціальний опір на ділянці стабілізації rд = DUст / DIст, (rд »0,5 ... 200Ом);
· Температурний коефіцієнт напруги на ділянці стабілізації:
TKU стабілітрона показує на скільки відсотків зміниться стабілізуючий напруга при зміні температури напівпровідника на 1 ° С
(TKU = -0,5 ... +0,2% / ° С).
Малюнок 3.6 - Вольт-амперна характеристика стабілітрона і його умовне графічне позначення
Стабілітрони використовують для стабілізації напруги джерел живлення, а також для фіксації рівнів напружень в різних схемах.
Стабілізацію низьковольтного напруги в межах 0,3 ... 1В можна отримати при використанні прямої гілки ВАХ кремнієвих діодів. Діод, в якому для стабілізації напруги використовується пряма гілка ВАХ, називають Стабистор. Існують також двосторонні (симетричні) стабілітрони, що мають симетричну ВАХ щодо початку координат.
Стабілітрони допускають послідовне включення, при цьому результуюче стабілізуючий напруга дорівнює сумі напруг стабілітронів:
Uст = Uст1 + Uст2 + ...
Паралельне з'єднання стабілітронів неприпустимо, тому що з-за розкиду характеристик і параметрів з усіх паралельно з'єднаних стабілітронів струм буде виникати тільки в одному, який має найменшу стабілізуючий напруга Uст, що викличе перегрів стабілітрона.
3.3 Тунельні і звернені діоди
Тунельний діод - це напівпровідниковий діод з урахуванням виродженого напівпровідника, в якому тунельний ефект призводить до появи на вольт - амперної характеристики при прямій напрузі ділянки негативного диференціального опору.
Тунельний діод виготовляється з германію або арсеніду галію з дуже великою концентрацією домішок, тобто з дуже малою питомою опором. Такі напівпровідники з малим опором називають виродженими. Це дозволяє отримати дуже вузький р-n-перехід. У таких переходах виникають умови для відносно вільного тунельного проходження електронів через потенціальний бар'єр (тунельний ефект). Тунельний ефект призводить до появи на прямий галузі ВАХ діода ділянки з негативним диференціальним опором. Тунельний ефект полягає в тому, що при досить малій висоті потенційного бар'єра можливе проникнення електронів через бар'єр без зміни їх енергії.
Основні параметри тунельних діодів:
· Піковий струм Iп - прямий струм у точці максимуму ВАХ;
· Струм западини Iв - прямий струм в точці мінімуму ВАХ;
· Ставлення струмів тунельного діода Iп / Iв;
· Напруга піку Uп - пряму напругу, відповідне піковому струму;
· Напруга западини Uв - пряму напругу, відповідне току западини;
· Напруга розчину Uрр.
Тунельні діоди використовуються для генерації та посилення електромагнітних коливань, а також у швидкодіючих перемикаючих та імпульсних схемах.
Малюнок 3.7 - Вольт-амперна характеристика тунельного діода
Звернений діод - діод на основі напівпровідника з критичною концентрацією домішок, в якому провідність при зворотній напрузі внаслідок тунельного ефекту значно більше, ніж при прямій напрузі.
Принцип дії зверненого діода заснований на використанні тунельного ефекту. Але у звернених діодах концентрацію домішок роблять менше, ніж у звичайних тунельних. Тому контактна різниця потенціалів у звернених діодів менше, а товщина р-n-переходу більше. Це призводить до того, що під дією прямого напруги прямої тунельний струм не створюється. Прямий струм у звернених діодах створюється інжекцією не основних носіїв зарядів через р-n-перехід, тобто прямий струм є дифузійним. При зворотній напрузі через перехід протікає значний тунельний струм, створюваний переміщення електронів крізь потенційний бар'єр з р-області в n-область. Робочим ділянкою ВАХ зверненого діода є зворотна гілка.
Таким чином, звернені діоди мають випрямляючих ефектом, але пропускне (проводить) напрям у них відповідає зворотному включенню, а замикає (непроводящее) - прямому включенню.
Малюнок 3.8 - Вольт-амперна характеристика зверненого діода
Навернені діоди застосовують в імпульсних пристроях, а також в якості перетворювачів сигналів (змішувачів і детекторів) в радіотехнічних пристроях.
3.4 варикапи
Варикап - це напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність ємності від величини зворотного напруги і який призначений для застосування в якості елемента з електрично керованою ємністю.
Напівпровідниковим матеріалом для виготовлення варикапів є кремній.
Основні параметри варикапів:
· Номінальна ємність Св - ємність при заданому зворотній напрузі (Св = 10 ... 500 пФ);
· Коефіцієнт перекриття по ємності
Варикапи широко застосовуються в різних схемах для автоматичного підстроювання частоти, в параметричних підсилювачах.
Малюнок 3.9 - Вольт-фарадні характеристика варикапа
3.5 Розрахунок електричних ланцюгів з напівпровідниковими діодами.
У практичних схемах в ланцюг діода включається будь-яка навантаження, наприклад резистор (рис. 3.10, а). Прямий струм проходить тоді, коли анод має позитивний потенціал щодо катода.
Режим діода з навантаженням називають робочим режимом. Якби діод мав лінійним опором, то розрахунок струму в такій схемі не уявляв б труднощів, так як загальний опір кола дорівнює сумі опору діода постійному струму Rо і опору резистора навантаження Rн. Але діод має нелінійним опором, і значення Rо у нього змінюється при зміні струму. Тому розрахунок струму роблять графічно. Завдання полягає в наступному: відомі значення Е, Rн і характеристика діода, потрібно визначити струм в ланцюзі I і напруга на діоді Uд.
Малюнок 3.10
Характеристику діода слід розглядати як графік деякого рівняння, що зв'язує величини I і U. А для опору Rн подібним рівнянням є закон Ома:
Отже, є два рівняння з двома невідомими I і U, причому одне з рівнянь дано графічно. Для розв'язання цієї системи рівнянь треба побудувати графік другого рівняння і знайти координати точки перетину двох графіків.
Рівняння для опору Rн - це рівняння першого ступеня відносно I і U. Його графіком є пряма лінія звана лінією навантаження. Вона будується за двома точками на осях координат. При I = 0 з рівняння (3.1) отримуємо: Е - U = 0 або U = Е, що відповідає точці А на рис. 3.10, б. А якщо U = 0, то I = E / Rн. відкладаємо цей струм на осі ординат (точка Б). через точки А і Б проводимо пряму, яка є лінією навантаження. Координати точки D дають рішення поставленої задачі.
Слід зазначити, що графічний розрахунок режиму діода можна не робити, якщо Rн>> Rо. У цьому випадку допустимо знехтувати опором діода і визначати струм наближено: I »E / Rн.
Розглянутий метод розрахунку постійної напруги можна застосувати для амплітудних або миттєвих значень, якщо джерело дає змінну напругу.
Оскільки напівпровідникові діоди добре проводять струм в прямому напрямку і погано в зворотному, то більшість напівпровідникових діодів застосовується для випрямлення змінного струму.
Найпростіша схема для випрямлення змінного струму показана на рис. 3.11. У ній послідовно з'єднаний джерело змінного ЕРС - е, діод VD і навантажувальний резистор Rн. Ця схема називається однополуперіодної.
Робота найпростішого випрямляча відбувається наступним чином. Протягом одного напівперіоду напруга для діода є прямим і проходить струм, що створює на резисторі Rн падіння напруги UR. Протягом наступного напівперіоду напруга є зворотним, струму практично немає і UR = 0. Таким чином, через діод, навантажувальний резистор проходить пульсуючий струм у вигляді імпульсів, які тривають полперіода. Цей струм називають випрямленою струмом. Він створює на резисторі Rн випрямлена напруга. Графіки на рис. 3.11, б ілюструють процеси у випрямлячі.
Малюнок 3.11
Амплітуда позитивних півхвиль на діоді дуже мала. Це пояснюється тим, що коли проходить прямий струм, то більша частина напруги джерела падає на навантажувальному резистори Rн, опір якого значно перевищує опір діода. У цьому випадку
Для звичайних напівпровідникових діодів пряму напругу не більше 1 ... 2В. Наприклад, нехай джерело має чинне напруга Е = 200В та
При негативній полуволне напруги, що підводиться струму практично немає і падіння напруги на резисторі Rн дорівнює нулю. Вся напруга джерела докладено до діода і є для нього зворотною напругою. Таким чином, максимальне значення зворотного напруги дорівнює амплітуді ЕРС джерела.
Найпростіша схема застосування стабілітрона наведена на рис. 3.12, а. Навантаження (споживач) включена паралельно стабілітрону. Тому, в режимі стабілізації, коли напруга на стабілітроні майже постійно, таке ж напруга буде і на навантаженні. Зазвичай Rогр розраховують для середньої точки Т характеристики стабілітрона.
Розглянемо випадок, коли Е = const, а Rн змінюється в межах від Rн min до Rн max ..
Значення Rогр можна знайти за такою формулою:
де Iср = 0,5 (Iст min + Iст max) - середній струм стабілітрона;
Iн = Uст / Rн - струм навантаження (при Rн = const);
Iн.ср = 0,5 (Iн min + Iн max), (при Rн = var),
причому
Малюнок 3.12
Роботу схеми в даному режимі можна пояснити так. Оскільки Rогр постійно і падіння напруги на ньому, рівне (Е - Uст), також постійно, то і струм в Rогр, рівний (Iст + Iн.ср), повинен бути постійним. Але останнє можливо тільки в тому випадку, якщо струм стабілітрона I і струм навантаження Iн змінюються в однаковій мірі, але в протилежні сторони. Наприклад, якщо Iн збільшується, то струм I на стільки ж зменшується, а їх сума залишається незмінною.
Принцип дії стабілітрона розглянемо на прикладі ланцюга, що складається з послідовно з'єднаного джерела змінної ЕРС - е, стабілітрона VD і резистора R (рис. 3.13, а).
У позитивний напівперіод на стабілітрон подається зворотна напруга, і до величини напруги пробою стабілітрона всі напруга прикладається до стабілітрону, тому що струм в ланцюзі дорівнює нулю. Після електричного пробою стабілітрона напруга на стабілітроні VD залишається без змін і що все залишилося напруга джерела ЕРС буде докладено до резистору R. У негативний напівперіод стабілітрон включений в проводяться напрямку, падіння напруги на ньому порядку 1В, а решту напруга джерела ЕРС докладено до резистору R.
Малюнок 3.13