Полупроводниковые диоды - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Рисунок 1.2.4.1 Вольт-амперные характеристики обратного диода и CSD

Содержание

Что такое полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод это простейший полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN-перехода. Его основная функция – проводить электрический ток в одном направлении и не позволять ему течь в противоположном направлении. Диод состоит из двух слоев полупроводников N- и P-типа (рис. 1.2.1).

Рисунок 1.2.1 Структура диода

На стыке между P и N образуется PN-переход. Электрод, соединенный с P, называется анодом. Электрод, соединенный с N, называется катодом. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду и не проводит ток обратно.

Диод находится в состоянии покоя.

Диод находится в состоянии покоя, когда на анод или катод не подается напряжение (рис. 1.2.2).

Рисунок 1.2.2 Диод в состоянии покоя

Часть N содержит бесплатные электроны – отрицательно заряженные частицы. Часть P содержит положительно заряженные ионы – отверстия. В результате там, где есть частицы с разными зарядами, создается электрическое поле, которое притягивает их друг к другу.

Под воздействием этого поля свободные электроны из N-части дрейфуют через PN-пассаж в P-часть и заполняют некоторые из дырок. В результате возникает очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате плотность материи в части P увеличивается и диффузия (тенденция материи к достижению равномерной концентрации), выталкивая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода.

Давайте теперь рассмотрим, как полупроводниковый диод выполняет свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключите питание – плюс к катоду, минус к аноду (рис. 1.2.3).

Рисунок 1.2.3 Подключение обратного диода

В соответствии с притяжением, созданным между зарядами разной полярности, электроны из N начнут двигаться к плюсовой стороне и удаляться от PN-перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусовой стороне и также будут удаляться от PN-перехода. В результате плотность вещества на электродах увеличивается. Диффузия вступает в действие и начинает отталкивать частицы, стремясь к равномерной плотности материи.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит электричество. По мере увеличения напряжения в PN-переходе будет оставаться все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое подключение диода.

Измените полярность питания – плюс к аноду, минус к катоду.

Рисунок 1.2.4 Прямое диодное соединение

В таком положении между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны движутся от минуса в сторону pn-перехода. Положительно заряженные дырки, в свою очередь, отталкиваются от плюсовой стороны и движутся к электронам. PN-переход обогащается заряженными частицами разной полярности, между которыми генерируется электрическое поле -. внутреннее электрическое поле PN-перехода. Под его воздействием электроны начинают дрейфовать в сторону P. Некоторые из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атоме, где не хватает электрона). Оставшиеся электроны устремляются к положительной стороне батареи. Через диод протекает ток I_D.

1.2.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод – Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, используемый для преобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямительный диод основан на однонаправленной проводимости p-перехода, который обладает тем свойством, что p-переход проводит ток (имеет низкое сопротивление) при прямом включении и почти не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Основными параметрами полупроводниковых выпрямительных диодов являются

прямой ток диода I_{ток проводимости диода}который нормируется при заданном напряжении питания (обычно U_pr=1…2В);
максимально допустимый выходной ток I_макс. диод
максимально допустимое обратное напряжение диода U_р.мах.при котором диод может нормально работать в течение длительного времени;
постоянный обратный ток I_{среднеквадратичное значение}протекающего через диод при обратном напряжении, равном U_{среднеквадратичное значение};
средний выпрямленный ток I_{среднеквадратичное значение}который может постоянно проходить через диод при его допустимой температуре нагрева;
максимально допустимая мощность P_{макс. мощность}рассеиваемое диодом, при котором обеспечивается заданная надежность диода.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°C, кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°C.

Вольт-амперные характеристики германиевых и кремниевых диодов показаны на рисунке 1.2.1.1

Рисунок 1.2.1.1 Вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов: a – германиевый диод; b – кремниевый диод

Падение напряжения при прямом переносе тока для германиевых диодов равно U_pr=0,3…0,6 В, кремниевые диоды имеют U=0,8…1,2В.

Более высокое падение напряжения на кремниевых диодах по сравнению с прямым падением напряжения на германиевых диодах обусловлено большей высотой потенциального барьера pn-перехода, сформированного в кремнии. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается из-за уменьшения высоты потенциального барьера. При подаче обратного напряжения на полупроводниковый диод возникает небольшой обратный ток, обусловленный движением неосновных носителей через pn-переход. С повышением температуры p-n-перехода увеличивается число не мейновских носителей, что обусловлено переходом части электронов из валентной полосы в полосу проводимости и образованием электронно-дырочных пар носителей заряда. Поэтому обратный ток диода увеличивается. Когда к диоду прикладывается обратное напряжение в несколько сотен вольт, внешнее электрическое поле в барьерном слое становится настолько сильным, что способно перетянуть электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток быстро увеличивается, вызывая нагрев диода, дальнейшее увеличение тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) p-n-перехода.

Большинство диодов могут надежно работать при обратном напряжении до (0,7…0,8) U. Допустимое обратное напряжение для германиевых диодов составляет 100…400 В, а для кремниевых диодов 1000…1500 В.

Выпрямительные диоды используются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный); они применяются в цепях управления и коммутации для ограничения паразитных скачков напряжения, в качестве элементов электрической изоляции цепей и т.д.

1.2.2 Твердотельный стабилитрон

Твердотельный стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение пробоя которого незначительно зависит от тока и служит для стабилизации напряжения.

Стабилизированные полупроводниковые диоды используют то свойство, что обратное напряжение на pj-переходе изменяется незначительно при электрическом пробое (лавинном или туннельном). Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на pn-переходе во время электрического пробоя приводит к более интенсивной генерации носителей заряда и значительному увеличению обратного тока.

Низковольтные стабилизаторы основаны на высоколегированном материале (низкий импеданс). В этом случае образуется узкий планарный переход, в котором электрическое туннелирование происходит при относительно низких обратных напряжениях (ниже 6 В). Высоковольтные стабилизирующие диоды изготавливаются из низколегированного материала (высокое сопротивление). Поэтому принцип их действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры стабилизирующих диодов:

Стабилизирующее напряжение U_св. (U_ste=1…1000В);
минимум I_{ст. мИн.} и максимальный I_{ст.макс} стабилизирующие токи (I_ст.мИн“1.0…10 мА, I_Р.М.С.“0,05…2,0А);
максимально допустимая поглощаемая мощность P_{максимальная рассеиваемая мощность};
дифференциальное сопротивление на участке стабилизации

Рисунок 1.2.2.1 Назначение стабилизатора a) несимметричный стабилитрон b) симметричный стабилитрон

Вольт-амперная характеристика стабилизированной цепи на рисунке 1.2.2.2

Рисунок 1.2.2.2 Вольт-амперная характеристика стабилизатора

Стабилизирующие диоды используются для стабилизации напряжения питания, а также для установления уровней напряжения в различных цепях.

Существуют также двойные (симметричные) стабилизаторы, которые имеют симметричный SAC относительно начала координат. Стабилитроны могут быть соединены последовательно, и результирующее стабилизирующее напряжение будет равно сумме стабилизирующих напряжений: Ust = Ust1 + Ust2 +.

1.2.3 Туннельный диод

Туннельный диод – Туннельный диод – это вырожденный полупроводниковый диод, в котором туннельный эффект вызывает появление области отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперной характеристике для постоянного напряжения.

Туннельный диод изготавливается из германия или арсенида галлия с очень высокой концентрацией примесей, т.е. с очень низким удельным сопротивлением. Такие полупроводники с низким удельным сопротивлением называются вырожденными полупроводниками. Это позволяет получить очень узкий р-п переход. В таких переходах существуют условия для относительно свободного туннелирования электронов через потенциальный барьер (эффект туннелирования). Туннельный эффект приводит к образованию области отрицательного дифференциального сопротивления на прямом пути IAC диода.

Туннельные диоды имеют основные параметры:

Пиковый ток I_п – Постоянный ток в точке максимальной характеристики;
ток отверстия I_в – это ток, протекающий в точке минимума характеристической кривой;
отношение токов туннельных диодов I_п/I_в;
пиковое напряжение U_п – Напряжение постоянного тока, соответствующее пиковому току
Напряжение на впадине U_в – входное напряжение, соответствующее току впадины;

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в схемах быстрого переключения и пульсации.

Вольт-амперные характеристики туннельного диода и его УГО показаны на рисунке 1.2.3.1.

Рисунок 1.2.3.1 Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его КСО

1.2.4 Обратимый диод

Обратимый диод – Диод на основе полупроводника с критической концентрацией примеси, в котором проводимость при обратном напряжении за счет эффекта туннелирования значительно выше, чем при прямом напряжении.

Принцип работы обратного диода основан на эффекте туннелирования. Однако в обратных диодах концентрация примесей ниже, чем в обычных туннельных диодах. Поэтому контактная разность потенциалов в обратных диодах меньше, а толщина pn-перехода больше. Это приводит к тому, что при постоянном напряжении не генерируется прямой туннельный ток. Постоянный ток в обратных диодах возникает в результате инжекции неэлектронных носителей заряда через pn-переход, т.е. постоянный ток является диффузионным током. При приложении обратного напряжения через переход протекает значительный туннельный ток, возникающий в результате перемещения электронов через потенциальный барьер из p- в n-область. Рабочей частью характеристики инвертирующего диода является обратная ветвь. Таким образом, обратные диоды обладают выпрямляющим действием, но сквозное (проводящее) направление соответствует обратному включению, а блокирующее (непроводящее) направление – прямому включению.

Вольт-амперные характеристики инвертированного диода и его КСО показаны на рисунке 1.2.4.1.

Рисунок 1.2.4.1 Вольт-амперная характеристика обратного диода и его КСО

Обратные диоды используются в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиоустройствах.

1.2.5 Варикапы

Варикап – это это полупроводниковый диод, использующий зависимость емкости от обратного напряжения и предназначенный для использования в качестве электрически управляемого емкостного элемента. Полупроводниковым материалом для варикапа является кремний.

Основными параметрами варикапов являются

номинальная емкость C_в– емкость при заданном обратном напряжении (C_в=10…500 пФ);
коэффициент перекрытия емкости (отношение емкостей варикапов при двух заданных обратных напряжениях).

Варикапы широко используются в различных системах автоматической перестройки частоты, в параметрических усилителях.

На рисунке 1.2.5.1 показана вольт-амперная характеристика варикапа и его КСО

Рисунок 1.2.5.1 Вольт-амперная характеристика варикапа и его CSA

1.2.6 Светоизлучающие диоды

Светоизлучающие диоды представляют собой полупроводниковые источники света малой мощности, основанные на излучающих pn–перекресток. Люминесценция в p-n-переходе вызвана рекомбинацией носителей заряда. При подаче постоянного напряжения электроны из n-перехода попадают в p-переход, где они рекомбинируют с дырками и излучают высвобожденную энергию в виде света.

Светодиоды изготавливаются из карбида кремния, арсенида галлия или фосфида галлия. Люминесценция может быть очень интенсивной и приходится на инфракрасную, красную, зеленую и синюю части спектра. Светодиод начинает излучать свет при подаче постоянного напряжения, интенсивность которого увеличивается с ростом тока.

Основными параметрами светодиодов являются:

Р_{эмиссия} – общая мощность излучения (до 100 мВт).
U_{например.} – постоянное напряжение (порядка единиц вольт) при – const.
I_pr. – Постоянный неизменный ток (до 110 мА).
Цвет люминесценции.

Прямая линия CVC светоизлучающего диода и его обозначение показаны на рисунке 1.2.6.1.

Рисунок 1.2.6.1 МАК светодиода и его УГО

Светодиоды используются в устройствах, отображающих визуальную информацию.

1.2.7 Фотодиоды

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, основанный на присущем ему фотоэлектрическом эффекте, который при воздействии света генерирует электронно-дырочные пары на pn-переходе, тем самым увеличивая концентрацию носителей в его объеме.–переход, что приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода зависит от концентрации неосновных носителей и, следовательно, от освещенности. Вольт-амперная характеристика фотодиода (рисунок 1.2.7.1 (см. стр. 28)) показывает, что для любого значения потока Ф соответствует определенному значению обратного тока. Такой режим работы называется фотодиодом.

Полупроводниковый диод – Двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла (SCD). Термин “полупроводниковый диод” относится к ряду устройств с различными принципами действия и для различных применений. Система классификации P. D. соответствует общей … … Большая советская энциклопедия

Бензар В. K. Справочный словарь по электротехнике, промышленной электронике и автоматизации. – Минск: Высшая школа, 1985 г. – 176 с.
Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: справочник для вузов. – Издание 4-е переработанное и дополненное – М.: Высшая школа, 1987 г. – 479 с.

Полупроводниковые диоды

Фонд Викимедиа . 2010 .

Полезно в

Смотреть что такое “Полупроводниковый диод” в других словарях

полупроводниковый диод – Полупроводниковый диод; диод; реф. полупроводниковый вентиль Электрический полупроводниковый преобразователь с электрическим разъемом (разъемами), имеющий два выхода. Примечание. 1. полупроводниковый диод, предназначенный для работы в… … … Глоссарий политехнической терминологии

полупроводниковый диод – Nd. диод Полупроводниковый вентиль Полупроводниковый прибор с двумя выходами и несбалансированными вольт-амперными характеристиками. Примечание Если не указано иное, этим термином обозначаются устройства с вольт-амперными характеристиками, типичными для… Руководство технического переводчика

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД – Полупроводниковый прибор с двумя электродами, проводящий с одной стороны. Полупроводниковые диоды включают широкую группу приборов с p-n-переходом, контактом металл-полупроводник и т.д. Чаще всего … … Большой энциклопедический словарь

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД – См. полупроводниковые диоды. Энциклопедия физики. В пяти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор: А. М. Прохоров. 1988… Энциклопедия физики

Полупроводниковый диод – Двухэлектродное электронное устройство на основе полупроводникового кристалла (PCB). Термин “классификация P. E.” охватывает множество устройств с различными принципами действия и для различных целей. Система классификации p. e. соответствует общей … … … Большая советская энциклопедия

полупроводниковый диод – Полупроводниковый прибор с двумя электродами с односторонней проводимостью. Полупроводниковый диод может представлять собой широкую группу приборов с p-n-переходом, контактом металл-полупроводник и т.д. Чаще всего….

полупроводниковый диод – puslaidininkinis diodas statusas T sritis automika atitikmenys: англ. semiconductor diode vok. Halbleiterdiode, f rus. полупроводниковый диод, m pranc. полупроводниковый диод, f; полупроводниковый диод, f … Автоматический терминал žodynas

полупроводниковый диод – Puslaidininkinis diodas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. semiconductor diode vok. Halbleiterdiode, f rus. полупроводниковый диод, m pranc. полупроводниковый диод, f; полупроводниковый диод, f … Fizikos terminų žodynas

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД – Двухэлектродный полупроводниковый прибор (на основе кремния, арсенида галлия, германия и т.д.), работа которого обусловлена переходами связи (самый большой класс полупроводниковых приборов), контактами металл-полупроводник или объемными эффектами в однородной…

полупроводниковый диод – Полупроводниковый прибор на основе полупроводникового кристалла с двумя электродами, обладающий однонаправленной проводимостью. Полупроводниковые диоды включают широкий спектр приборов с p-n-переходами, контактами металл-полупроводник и другими ….. … Энциклопедия технологий

Полупроводник стабилитрон – это полупроводниковый диод, поверхностное напряжение которого слабо зависит от тока в области пробоя и который используется для стабилизации напряжения.

Полупроводниковые диоды. Классификация и принцип работы.

Полупроводниковый диод – это электрический полупроводниковый прибор с одним электрическим разъемом и двумя выходами, использующий свойства p-n-перехода.

Классификация и условные обозначения диодов.

Полупроводниковые диоды классифицируются по .:

1) по назначению: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ и СВЧ диоды), импульсные, полупроводниковые диоды (опорные диоды), туннельные, инверсные, варикапы и др;

2) По конструктивным и технологическим особенностям: плоскостные и точечные;

3) По типу исходного материала: германий, кремний, арсенид галлия и т.д.

Классификация и символы диодов представлены на рис. 1:

Рис. 1. Классификация и графические символы диодов.

В точечном диоде используется германиевая или кремниевая пластина с электропроводностью n-типа (рис. 2), толщиной 0,1…0,6 мм и площадью поверхности 0,5…1,5 мм2; в контакт с пластиной вводят заостренную проволоку (иглу) с осажденной на ней примесью. Примесь диффундирует из иглы в нижележащий полупроводник, в результате чего образуется область с другим типом проводимости. Это создает миниатюрный p-n-переход полусферической формы вблизи иглы.

Рисунок 2: Конструкция диодов с точечным источником

Для изготовления германиевых точечных диодов вольфрамовая проволока с индиевым покрытием приваривается к германиевой пластине. Индий является акцептором для германия. Образовавшаяся область германия p-типа является эмиттерной областью.

Кремниевые точечные диоды изготавливаются из кремния n-типа и покрытой алюминием проволоки, которая служит акцептором для кремния.

В планарных диодах p-n-переход образован двумя полупроводниками с разными типами проводимости, а площадь перехода в различных типах диодов варьируется от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

Планарные диоды изготавливаются следующими методами сплав (слияние) или диффузия (рис. 3).

Рисунок 3. Структура планарных диодов, изготовленных методами фьюзинга (a) и диффузии (b)

В германиевой пластине n-типа сочетается с капля индия при температуре около 500°C (рис. 3, a), которая после сплавления с германием образует слой германия p-типа. Область проводимости p-типа имеет более высокую концентрацию примесей, чем основная пластина, и поэтому является эмиттером. Проводник, обычно никелевый, припаивается к германиевой основной пластине и к индию. Если в качестве исходного материала используется германий p-типа, в него вплавляется сурьма и образуется область эмиттера n-типа.

Диффузионный метод основана на том, что примесные атомы диффундируют в основной полупроводник (рис. 3, b). Диффузия акцепторного элемента (бора или алюминия в случае кремния, индия в случае германия) через поверхность основного материала служит для формирования p-n слоя.

2 Типы полупроводниковых диодов.

2.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод Полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямительные диоды основаны на p-n-переходе и имеют две области, одна из которых менее загрязнена (содержит высокую концентрацию примесей) и называется эмиттером. Другая область, основание, имеет более высокий импеданс (содержит меньшую концентрацию примесей).

Выпрямительные диоды основаны на свойстве однонаправленной проводимости p-n-перехода, которое заключается в том, что переход хорошо проводит ток (имеет низкое сопротивление) в прямом соединении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) в обратном соединении.

Как известно, ток проводимости диода генерируется основными носителями, а обратный ток – неосновными носителями. Концентрация основных носителей на несколько порядков превышает концентрацию немагнитных носителей и, следовательно, затворные свойства диода.

Главная параметры Выпрямительными полупроводниковыми диодами являются:

ток проводимости диода Iprкоторый нормируется при определенном напряжении питания (обычно Uпр = 1…2 В);
максимально допустимый прямой ток Ipr макс. диод
максимально допустимое обратное напряжение диода Уопр макспри котором диод еще может нормально работать;
постоянный обратный ток Iobrпротекающего через диод при обратном напряжении, равном Uобр макс;
средний выпрямленный ток Iinvp.cfкоторый может постоянно проходить через диод при его допустимой температуре нагрева;
максимально допустимая мощность Pmaxрассеиваемое диодом, при котором обеспечивается заданная надежность диода.

Диоды можно разделить в соответствии с максимально допустимым средним выпрямленным током на диоды малой мощности (Iop.cp < 0,3A), средней мощности (0,3 A < Iinp.cp < 10 A) и высокой мощности (Iinp.cp > 10A).

Чтобы сохранить эффективность германиевого диода, его температура не должна превышать +85°C (рис. 4, a). Кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°C (рис. 4, б).

Рис. 4 Температурная зависимость вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов: a – для германиевого диода; b – для кремниевого диода

Падение напряжения при прямом протекании тока с германиевыми диодами составляет />Uпр = 0,3…0,6В, с кремниевыми – />Uпр = 0,8…1,2В. Более высокое прямое падение напряжения на кремниевых диодах по сравнению с прямым падением напряжения на германиевых диодах обусловлено более высоким потенциальным барьером p-n-перехода, сформированным в кремнии.

С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается из-за уменьшения высоты потенциального барьера.

Когда к полупроводниковому диоду прикладывается обратное напряжение, в диоде возникает небольшой обратный ток из-за движения непотенциальных носителей заряда через p-n-переход.

По мере повышения температуры p-n-перехода количество нейтральных носителей увеличивается вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования электронно-дырочных пар носителей заряда. Поэтому обратный ток диода увеличивается.

Когда к диоду прикладывается обратное напряжение в несколько сотен вольт, внешнее электрическое поле в блокирующем слое становится настолько сильным, что может отрывать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток быстро увеличивается, вызывая нагрев диода, дальнейшее увеличение тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) p-n-перехода. Большинство диодов могут надежно работать при обратном напряжении, не превышающем (0,7…0,8)U-образца.

Допустимое обратное напряжение для германиевых диодов достигает 100…400 В, а для кремниевых диодов 1000…1500 В.

Выпрямительные диоды используются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный), применяются в цепях управления и коммутации для ограничения паразитных пиков напряжения, в качестве элементов электрической изоляции цепей и т.д.

Во многих приложениях преобразователей высокой мощности требования к среднему прямому току и обратному напряжению превышают номиналы существующих диодов. В таких случаях проблема решается путем параллельного или последовательного соединения диодов.

Параллельное соединение диодов (рис. 5, б) используется, когда требуется прямой ток, превышающий предельный ток одного диода. Однако, если диоды одного типа просто соединить параллельно, то диоды будут казаться нагруженными по-разному из-за расхождения прямых путей CVC, и в некоторых из них постоянный ток будет больше предельного тока.

Рисунок 5: Параллельное соединение выпрямительных диодов

Для выравнивания токов используйте диоды с небольшой разницей в прямых I-V кривых (сделайте свой выбор) или подключите последовательно с диодами выравнивающие резисторы с сопротивлением порядка единиц Ом. Иногда подключаются дополнительные резисторы (рис. 5, в) с сопротивлением, в несколько раз превышающим прямое сопротивление диодов, так что ток в каждом диоде зависит в основном от сопротивления Rd, т.е. Rd >> hpd. Значение Rd составляет сотни Ом.

Последовательное соединение диодов служит для увеличения общего допустимого обратного напряжения. Под воздействием обратного напряжения диоды, соединенные последовательно, проводят одинаковый обратный ток Iобр. Однако из-за различных характерных форм обратного тока общее напряжение будет распределено по диодам неравномерно. К диоду с большей обратной стороной характеристики будет приложено большее напряжение. Это может быть выше порогового напряжения, что приведет к выходу диода из строя.

Рисунок 6: Последовательное подключение выпрямительных диодов

Чтобы равномерно распределить обратное напряжение между диодами, независимо от их обратных сопротивлений, диоды шунтируются резисторами (рис. 6). Сопротивления Rf этих резисторов должны быть одинаковыми и намного меньше наименьшего из обратных сопротивлений диода Rf << hbd, чтобы ток, протекающий через резистор Rf, был на порядок больше обратного тока диода.

2.2 Стабилитроны

Полупроводник стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение пробоя которого слабо зависит от тока и используется для стабилизации напряжения.

Стабилитронные полупроводниковые диоды используют то свойство, что обратное напряжение на p-n переходе изменяется незначительно из-за электрического пробоя (лавины или туннелирования). Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на p-n-переходе в режиме электрического пробоя приводит к более интенсивной генерации носителей и значительному увеличению обратного тока.

Стабилизаторы низкого напряжения изготавливаются на основе высоколегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий планарный переход, в котором электрическое туннелирование происходит при относительно низких обратных напряжениях (ниже 6 В). Высоковольтные стабилизаторы изготавливаются из низколегированного (высокоомного) материала. Поэтому принцип их действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Главная параметры стабилизирующих диодов:

– Стабилизирующее напряжение Uст (Uст = 1…1000В)

– Минимальный ток стабилизации Ist mIn и максимальный ток стабилизации Ist max (Ist mIn ” 1.0…10mA, Ist max ” 0.05…2.0A);

– максимально допустимая рассеиваемая мощность Rmax;

– дифференциальное сопротивление в зоне стабилизации Rd = />Ust/ />Ist (0,5…200 Ом);

– температурный коэффициент напряжения в секции стабилизации:

ТКУ = />Уст/( />Т*Укт)*100%.

ТКУ диода показывает, на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1°С.

Рисунок 7. Вольт-амперная характеристика стабилизатора и ее графическое обозначение

Низковольтная стабилизация в диапазоне 0,3…1 В может быть достигнута за счет использования обратного смещения (рис. 7) кремниевых диодов. Диод, который использует обратную сторону CVC для стабилизации напряжения, называется стабилизатором. Существуют также двусторонние (симметричные) стабилизаторы, которые имеют симметричные выходные характеристики относительно начала координат.

Стабилизирующие диоды могут быть соединены последовательно, и результирующее стабилизирующее напряжение будет равно сумме стабилизирующих напряжений диодов:

Ust = Ust1 + Ust2 +…

Параллельное подключение стабилизаторов недопустимо, так как из-за различных характеристик и параметров из всех параллельно включенных диодов будет питаться только тот, который имеет наименьшее напряжение стабилизации Uc, что приведет к перегреву диодов.

2.3 Туннельные диоды и инвертированные диоды

Туннельный диод – Туннельный диод – это вырожденный полупроводниковый диод, в котором туннельный эффект создает область отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперной характеристике для выходного напряжения.

Туннельные диоды изготавливаются из германия или арсенида галлия с очень высокой концентрацией примесей, т.е. с очень низким удельным сопротивлением. Такие полупроводники с низким удельным сопротивлением называются вырожденными полупроводниками. Это позволяет получить очень узкие p-n-переходы. В таких переходах существуют условия для относительно свободного туннелирования электронов через потенциальный барьер (эффект туннелирования). В результате эффекта туннелирования получается диод с отрицательным дифференциальным сопротивлением на прямой линии (рис. 8). Эффект туннелирования означает, что если высота потенциального барьера достаточно мала, электроны могут проходить через барьер без изменения своей энергии.

Основными параметрами туннельных диодов являются:

– пиковый ток In – постоянный ток в точке максимального CVC;

– ток впадины Ic – постоянный ток в точке минимума CVC;

– отношение тока туннельного диода In/Iv;

– пиковое напряжение Un – постоянное напряжение, соответствующее пиковому току;

– напряжение впадины Uв – постоянное напряжение, соответствующее току впадины

– Повышенное напряжение раствора.

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в схемах быстрой коммутации и пульсации.

Рисунок 8: Вольт-амперные характеристики туннельного диода

Обратимый диод – Диод на основе полупроводника с критической концентрацией примеси, в котором проводимость при обратном напряжении за счет эффекта туннелирования значительно выше, чем при прямом напряжении.

Принцип работы обратного диода основан на эффекте туннелирования. Однако в обратных диодах концентрация примесей ниже, чем в обычных туннельных диодах. Поэтому контактная разность потенциалов в обратных диодах меньше, а толщина p-n-перехода больше. Следовательно, при постоянном напряжении не возникает постоянного туннельного тока. Прямой ток в обратных диодах возникает за счет инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При приложении обратного напряжения через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый электронами, перемещающимися через потенциальный барьер из p- в n-область. Рабочая часть WVC (рис. 9) обратного диода является обратной ветвью.

Таким образом, обратные диоды обладают выпрямляющим действием, но сквозное (проводящее) направление соответствует обратному включению, а блокирующее (непроводящее) направление – прямому включению.

Рисунок 9: Вольт-амперные характеристики обратного диода

Обратные диоды используются в импульсных устройствах, а также в преобразователях сигналов (смесителях и детекторах) в радиотехнических приложениях.

2.4 Варикапы

Варикап – Варикап – это полупроводниковый диод, использующий емкость, зависящую от обратного напряжения, и предназначенный для использования в качестве электрически управляемого емкостного элемента.

Вольт-амперные характеристики Варикап показан на рисунке 10.

Полупроводниковым материалом для варикапа является кремний.

Основные параметры варикапов:

– номинальная емкость Sv – емкость при заданном обратном напряжении (Sv = 10…500 пФ);

– коэффициент перекрытия по объему Kc=Cmax/Cmin(Kc = 5…20) – это отношение емкостей варакторов при двух заданных обратных напряжениях.

Варикапы широко используются в различных схемах для автоматической перестройки частоты, в параметрических усилителях.

Рисунок 10: Вольт-фарадная характеристика варактора

2.5 Тиристоры

Тиристоры это полупроводниковый прибор с многослойной структурой с тремя или более р-п переходами, который может переключаться из закрытого состояния в открытое или наоборот. Наиболее важным свойством тиристоров является то, что они работают в двух устойчивых состояниях. Первое состояние характеризуется небольшим прямым током, протекающим через структуру, и большим падением напряжения на структуре. Второе состояние соответствует большому прямому току и малому падению напряжения между выходными электродами.

Согласно конструкция и принцип работы Тиристоры подразделяются на Тиристоры, тринисторы и симисторы. Общим для всех тиристоров является нелинейная кривая I-V с областью отрицательного сопротивления, которая вызывает процесс регенерации в устройстве, когда оно переходит из закрытого состояния в открытое. Кремний считается предпочтительным материалом для тиристоров.

Рисунок 11: Конструкция тиристора и модель транзистора, объясняющая принцип работы.

Рисунок 12: Вольт-амперные характеристики тиристора.

Структура п-н-р-н динистор показан на рис. 11. В кристалле с четырехслойной структурой имеется три p-n-перехода. Крайние области называются p- и n-излучателями, а средние – p- и n-основаниями. Вольт-амперные характеристики При подаче напряжения на диод (анод “+” и катод “-“) переходы P1 и P3 движутся в прямом направлении и проводят ток, а центральный переход P2 движется в обратном направлении. Напряжение, при котором включается тиристор, Uvcl, часто называют стартовым напряжением.

Тринистор Тринистор – это тиристор с тремя выводами, один из которых сделан из внутреннего слоя и называется управляющим электродом (УЭ). Важным преимуществом тринистора является возможность управления напряжением переключения устройства с помощью UE, при этом мощность управляющих сигналов значительно ниже мощности постоянного тока. Тиристор с УЭ обладает свойством усилителя.

Рисунок 13: Конструкция тринистора без помех (a) и схемы, объясняющие его работу (b).

Различают тринисторы без зажима и закрытие. В Без фиксации UE используется только для разблокировки, т.е. переключения тринисторов из незаблокированного состояния в состояние открытия; при блокировке тринисторов UE может использоваться для открытия и закрытия устройства. Некоторые тринисторы имеют два ПИ. Структура бесклапанного тринистора показана на рисунке 13, а. Как и динод, он состоит из четырех чередующихся p- и n-слоев. Помимо анодных и катодных выводов, имеется вывод UE, который может быть подключен к внутреннему p- или n-слою, что влияет только на полярность управляющего напряжения. Если UE подключен к p-области, управляющее напряжение отрицательно по отношению к катоду, если к n-области – полярность обратная.

Эффект управления объясняется тем, что входной ток в УЭ увеличивает один из токов эмиттера, т.е. увеличивает коэффициент передачи тока. На рис. 13, б показано семейство тринисторных осциллографов. Если управляющее напряжение снято, тринистор будет оставаться включенным до тех пор, пока ток проводимости становится меньше, чем . . Этот ток называется током выключения – точка D на графике рис. 13, b . Закрытая сторона Тринисторы отличаются от незащелкивающихся тем, что способны переключаться из открытого состояния в запертое под воздействием сигнала в цепи UE.

3 Расчет электрических цепей с полупроводниковыми диодами.

В практических схемах в цепь диода включается нагрузка, например, резистор (рис. 14, а). Постоянный ток течет, когда анод имеет положительный потенциал по отношению к катоду.

Режим работы диода с нагрузкой называется рабочим режимом. Если бы диод имел линейное сопротивление, вычислить ток в этой цепи было бы несложно, поскольку полное сопротивление цепи равно сумме постоянного сопротивления диода Ro и сопротивления резистора нагрузки Rn. Но диод имеет нелинейное сопротивление, и значение Rо меняется при изменении тока. Поэтому расчет тока производится графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, Rn и характеристики диода, нужно определить ток в цепи I и напряжение на диоде Ud.

Характеристику диода следует рассматривать как график некоторого уравнения, касающегося значений I и U. А для сопротивления Rn таким уравнением является закон Ома:

(3.1)

Итак, у нас есть два уравнения с двумя неизвестными I и U, и одно из этих уравнений задано графически. Чтобы решить эту систему уравнений, постройте график второго уравнения и найдите координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления Rn является уравнением первого порядка относительно I и U. Его график представляет собой прямую линию, называемую линией заряда. Она строится относительно двух точек на координатных осях. Если I = 0, то из уравнения (3.1) получаем: E – U = 0 или U = E, что соответствует точке A на рис. 14, б. А если U = 0, то I = E/Rn. откладываем этот ток на оси ординат (точка B). Через точки A и B проводим прямую линию, которая является линией нагрузки. Координаты точки D являются решением данной задачи.

Заметим, что графическим расчетом диодного режима можно пренебречь, если Rn >> Ro. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определить ток приблизительно: I = E/Rn.

Рассмотренный выше метод расчета постоянного напряжения может быть применен к амплитудным или мгновенным значениям, если источник обеспечивает переменное напряжение.

Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, большинство полупроводниковых диодов используются для выпрямления переменного тока.

Простейшая схема выпрямления переменного тока показана на рис. 15. Она имеет источник переменной электродвижущей силы e, диод VD и резистор нагрузки Rn, соединенные последовательно. Эта схема называется схемой с одним полупериодом.

Принцип работы простейшего выпрямителя заключается в следующем. В течение одного полупериода напряжение на диоде постоянно и протекает ток, создавая падение напряжения UR на резисторе Rn. В течение следующего полупериода напряжение меняется на противоположное, ток практически отсутствует, а UR = 0. Таким образом, через диод, резистор нагрузки протекает пульсирующий ток в виде импульсов длительностью полпериода. Этот ток называется выпрямленным током. Он производит выпрямленное напряжение через резистор Rn. Графики на рисунке 15b иллюстрируют процессы, происходящие в выпрямителе.

Амплитуда положительной полуволны на диоде очень мала. Это связано с тем, что при протекании постоянного тока большая часть напряжения источника падает на резистор нагрузки Rn, сопротивление которого намного больше, чем у диода. В этом случае

(3.2)

Для обычных полупроводниковых диодов напряжение проводимости составляет не более 1…2 В. Например, пусть источник имеет среднеквадратичное напряжение E=200 В и . Если Uпр макс = 2 В, то UR макс = 278 В.

На отрицательной полуволне приложенного напряжения ток практически отсутствует, и падение напряжения на резисторе Rn равно нулю. Все напряжение источника прикладывается к диоду и является обратным напряжением для диода. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Простейшая схема применения стабилизирующего диода показана на рисунке 16, а. Нагрузка (потребитель) включается параллельно регулятору. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабу-троне практически постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Обычно Rorr рассчитывается для средней Т-точки характеристики диода стабилизации.

Рассмотрим случай, когда E = const и Rn изменяется между Rn min и Rn max.

Значение Rоr можно найти по следующей формуле:

(3.3)

где Icp = 0,5(Ist min + Ist max) – средний ток регулятора;

W = Ust/Rn – ток нагрузки (когда Rn = const);

In.cp = 0,5(In min+In max)(для Rn = var),

где и

Рисунок 16: Схема применения стабилизатора

Работа схемы в этом режиме может быть объяснена следующим образом. Поскольку Рогр постоянен и падение напряжения на Рогр, равное (E – Uст), также постоянно, ток в Рогр, равный (Iст + Iн.кп), должен быть постоянным. Последнее возможно только в том случае, если ток стабилизатора I и ток нагрузки In изменяются в одинаковой степени, но в противоположных направлениях. Например, если In увеличивается, то текущий I уменьшается на ту же величину, а их сумма остается неизменной.

Принцип работы стабилизатора иллюстрируется на примере схемы, состоящей из последовательно соединенных источника переменного электромагнитного поля – e, стабилизатора VD и резистора R (рис. 17, a).

В положительный полупериод к стабилитрону прикладывается обратное напряжение, и все напряжение прикладывается к значению напряжения пробоя стабилитрона, так как ток в цепи равен нулю. После электрического пробоя стабилитрона напряжение на стабилизаторе VD не изменится, а все оставшееся напряжение источника ЭДС будет приложено к резистору R. В отрицательный полупериод стабилитрон переключается в направлении проводимости, падение напряжения на нем составляет около 1 В, а оставшееся напряжение источника ЭДС прикладывается к резистору R. Кривая длины волны и рабочая диаграмма показаны на рис. b, c.

Вакуумные диодные лампы имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Прямое подключение диодов

На p-n-переход диода может влиять напряжение, приложенное от внешних источников. Такие величины, как величина и полярность, влияют на его поведение и проводимый через него электрический ток.

Далее мы подробно рассмотрим случай, когда положительный полюс подключен к области p-типа, а отрицательный – к области n-типа. В этом случае будет иметь место прямое соединение:

Под воздействием напряжения от внешнего источника, на p-n-переходе возникнет электрическое поле, направление которого будет противоположно направлению внутреннего диффузионного поля.
Напряженность поля значительно уменьшится, что приведет к быстрому сужению барьерного слоя.
Под влиянием этих процессов большое количество электронов сможет свободно перемещаться из p в n области, а также в обратном направлении.
Текущие значения дрейфа во время этого процесса остаются постоянными, поскольку они напрямую зависят только от числа незаряженных носителей в области p-n-перехода.
Электроны имеют повышенный уровень диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Другими словами, в области n будет повышенное количество дырок, а в области p – повышенная концентрация электронов.
Этот дисбаланс и увеличение числа электронов в p-области заставляет их проникать глубоко в полупроводник и смешиваться с его структурой, что в конечном итоге приводит к разрушению его свойств электроотрицательности.
Полупроводник способен восстанавливать свое нейтральное состояние, получая заряды от подключенного внешнего источника, что приводит к появлению постоянного тока во внешней цепи.

Фланцевые корпуса диодов отличаются от штыревых конструкций отсутствием штыря и внешней формой фланцевого основания. Особенности конструкции штыря и фланца способствуют одностороннему охлаждению диодной структуры. Эти диоды используются для токов в диапазоне 320-500 A.

Маркировка диодов

Система маркировки полупроводниковых диодов включает код, состоящий из букв и цифр.

Первая часть кода может быть цифрой для специальных применений или буквой для общих применений.

Если используется обозначение материала:

G или 1, это германий и соединения германия;
K или 2, является кремний и соединения кремния;
A или 3 – арсенид галлия;
E или 4 – фосфид индия.

Вторая цифра в обозначении используется для указания:

D – в выпрямителе, импульсный;
C – в колонках и выпрямительных мостах;
В – в обозначении варикапов;
E – в туннелях;
А – в микроволновой печи;
С – в стабилизаторах и стабилизаторах;
D – в генераторах шума;
L – в светоизлучающих диодах (LED).

Третий элемент характеризует основные особенности устройства и зависит от его подкласса. Например, 2D204V – кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3-10 A, номер разработки 04, группа B.

Особый интерес представляют туннельные диоды. Обозначение полупроводниковых диодов, изготовленных после 1965 года, определяется четырьмя элементами. Первый элемент в обозначении – буква, которая указывает на материал, из которого изготовлен полупроводник: Г – германий; К – кремний; А – арсенид галлия. Если первым элементом символа является число (1 вместо G, 2 вместо K и 3 вместо A), это означает, что устройства могут работать при повышенных температурах. Например, устройства с кремниевой основой, маркированной цифрой 2, могут работать при температуре до 120°C.

Классификация

Полупроводниковые диоды, выпускаемые промышленностью, можно разделить на следующие основные группы в зависимости от их назначения:

силовые диоды,
опорные диоды (стабилизирующие диоды),
фотодиоды,
пульс,
высокая частота,
параметрический.

Особый интерес представляют туннельные диоды. Обозначение полупроводниковых диодов, изготовленных после 1965 года, определяется четырьмя элементами. Первый элемент в обозначении – буква, которая указывает на материал, из которого изготовлен полупроводник: Г – германий; К – кремний; А – арсенид галлия. Если первым элементом обозначения является цифра (1 вместо G, 2 вместо K и 3 вместо A), это означает, что оборудование может работать при более высоких температурах (например, оборудование с кремниевой основой, маркированное цифрой 2, может работать при температуре до 120°C).

Вторым элементом обозначения является буква, указывающая на назначение устройства: A – сверхвысокочастотные диоды; D – универсальные, импульсные выпрямительные диоды; B – полюсные выпрямительные диоды (последовательное соединение нескольких диодов); C – стабилитроны; I – туннельные диоды; F – фотодиоды и др. Третий элемент обозначения (номер) характеризует электрические свойства устройства. Низкочастотные выпрямительные диоды маркируются номерами от 101 до 399, универсальные диоды – от 401 до 499, импульсные диоды – от 501 до 599, усилительные туннельные диоды – от 101 до 199, генераторные туннельные диоды – от 201 до 299, переключательные туннельные диоды – от 301 до 399, стабилизаторы – от 101 до 999.

Четвертый элемент обозначения (буква) идентифицирует тип устройства группы устройств. Например, 1D505B – германиевый импульсный диод типа B, или 3I302B – арсенид-галлиевый туннельный диод типа B. Полупроводниковые диоды, разработка которых была завершена до 1965 года, обозначаются тремя элементами: первый элемент – буква D; второй элемент – число, указывающее на диапазон частот и исходный материал, из которого изготовлен диод; третий элемент указывает на тип устройства.

Стабилитроны стабилизируют напряжение 3,5 В и выше, а стабилизаторы используются для стабилизации более низких напряжений. Стабилитроны используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, поэтому они переключаются в прямом направлении. Импульсный диод – это диод, предназначенный для работы в импульсных цепях. В прямом направлении импульсный диод хорошо проводит электричество. Когда такой диод включается в обратном направлении, обратный ток в нем быстро возрастает и исчезает через короткое время. Таким образом, генерируется электрический импульс.

Читайте далее: