Реферат: Полупроводниковые диоды

ТЕМА 3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковыйдиод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с однимэлектрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода.

Полупроводниковыедиоды классифицируются:

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

2) по конструктивно – технологическим особенностям: плоскостные и точечные;

3) по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенидо — галлиевыеи др.

/>

Рисунок 3.1 –Устройство точечных диодов

В точечном диодеиспользуется пластинка германия или кремния с электропроводностью n- типа (рис.3.1), толщиной 0,1…0,6мм и площадью 0,5…1,5 мм2;с пластинкой соприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью.При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создаютобласть с другим типом электропроводности. Таким образом, около иглы образуетсяминиатюрный р-n- переход полусферической формы.

Для изготовлениягерманиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку извольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученнаяобласть германия р- типа является эмиттерной.

Для изготовлениякремниевых точечных диодов используется кремний n- типаи проволочка, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

В плоскостныхдиодах р-n- переход образуется двумя полупроводниками сразличными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типовдиодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятковквадратных сантиметров (силовые диоды).

Плоскостныедиоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 3.2).

/>

Рисунок 3.2 – Устройствоплоскостных диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным методом (б)

В пластинкугермания n- типа вплавляют при температуре около 500°С каплю индия (рис. 3.2, а)которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р- типа. Область сэлектропроводностью р- типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежелиосновная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германияи к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходныйматериал взят германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получаетсяэмиттерная область n- типа.

Диффузионныйметод изготовления р-n- перехода основан на том, что атомыпримеси диффундируют в основной полупроводник (рис. 3.2, б). Для создания р- слояиспользуют диффузию акцепторного элемента (бора или алюминия для кремния, индиядля германия) через поверхность исходного материала.

3.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительныйполупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный дляпреобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямительныедиоды выполняются на основе р-n- перехода и имеют двеобласти, одна из них является более низкоомной (содержит большую концентрациюпримеси), и называется эмиттером. Другая область, база – более высокоомная(содержит меньшую концентрация примеси).

В основе работывыпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- перехода, которое заключается в том, что последний хорошопроводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически непроводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Как известно,прямой ток диода создается основными, а обратный – не основными носителямизаряда. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышаетконцентрацию не основных носителей, чем и обусловливаются вентильные свойствадиода.

Основнымипараметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

· прямой ток диода Iпр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычноUпр = 1…2В);

· максимально допустимый прямой ток Iпр мах диода;

· максимально допустимое обратное напряжение диода Uобрмах, при котором диод еще может нормально работать длительное время;

· постоянный обратной ток Iобр, протекающий через диод при обратном напряжении,равном Uобр мах;

· средний выпрямленный ток Iвп.ср, который можетдлительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;

· максимально допустимая мощность Pмах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечиваетсязаданная надежность диода.

По максимальнодопустимому значению среднего выпрямленного тока диоды делятся на маломощные (Iвп.ср £ 0,3А), среднеймощности (0,3А < Iвп.ср £ 10А) и большой мощности (Iвп.ср > 10А).

Для сохраненияработоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С. Кремниевые диоды могутработать при температуре до +150°С.

/>/>

Рисунок 3.3 – Изменениевольт — амперной характеристики полупроводникового диода от температуры: а −для германиевого диода; б − для кремниевого диода

Падениенапряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет DUпр = 0,3…0,6В, у кремниевых диодов − DUпр = 0,8…1,2В. Большие падения напряжения припрохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падениенапряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциальногобарьера р-n- переходов, сформированных в кремнии.

С увеличениемтемпературы прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшениемвысоты потенциального барьера.

При подаче наполупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительныйобратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через р-n- переход.

При повышениитемпературы р-n- перехода число не основных носителейзаряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зонупроводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратныйток диода возрастает.

В случаеприложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнееэлектрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способновырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера).Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода,дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n- перехода. Большинство диодов может надежно работать приобратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8)Uпроб.

Допустимоеобратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевыхдиодов − 1000…1500В.

Выпрямительныедиоды применяются для выпрямления переменного тока (преобразования переменноготока в постоянный); используются в схемах управления и коммутации дляограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрическойразвязки цепей и т.д.

В ряде мощныхпреобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока,обратного напряжения превышают номинальное значение параметров существующих диодов.В этих случаях задача решается параллельным или последовательным соединениемдиодов.

Параллельноесоединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток,больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединитьпараллельно, то вследствие несовпадения прямых ветвей ВАХ они окажутся различнонагруженными и, в некоторых прямой ток будет больше предельного.

/>/>

Рисунок 3.4 –Параллельное соединение выпрямительных диодов

Для выравниваниятоков используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят ихподбор) или последовательно с диодами включают уравнительные резисторы ссопротивлением в единицы Ом. Иногда включают дополнительные резисторы (рис.3.4, в) с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов,для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением Rд, т.е. Rд >> rпр вд.Величина Rд составляетсотни Ом.

Последовательноесоединение диодов применяют для увеличения суммарного допустимого обратногонапряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно,протекает одинаковый обратный ток Iобр. однако ввиду различия обратных ветвей ВАХобщее напряжение будет распределяться по диодам неравномерно. К диоду, укоторого обратная ветвь ВАХ идет выше, будет приложено большее напряжение. Ономожет оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

/>

/>

Рисунок 3.5 –Последовательное соединение выпрямительных диодов

Для того, чтобыобратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от ихобратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами.Сопротивления Rшрезисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратныхсопротивлений диодов Rш << rобр вд,чтобы ток, протекающий через резистор Rш, был на порядок больше обратного тока диодов.

3.2 Стабилитроны

Полупроводниковыйстабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в областиэлектрического пробоя слабо зависит от тока и который используется длястабилизации напряжения.

Вполупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного измененияобратного напряжения на р-n- переходе при электрическом(лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличениенапряжения на р-n- переходе в режиме электрическогопробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительноеувеличение обратного тока.

Низковольтныестабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала.В этом случае образуется узкий плоскостный переход, в котором при сравнительнонизких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрическийпробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного(высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавиннымэлектрическим пробоем.

Основныепараметры стабилитронов:

· напряжение стабилизации Uст (Uст = 1…1000В);

· минимальный Iст міn и максимальный Iст махтоки стабилизации (Iст міn » 1,0…10мА, Iстмах »0,05…2,0А);

· максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмах;

· дифференциальное сопротивление на участке стабилизации rд =DUст/DIст, (rд » 0,5…200Ом);

· температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации:

/>

TKU стабилитрона показывает на сколько процентов изменитсястабилизирующее напряжение при изменении температуры полупроводника на 1°С

(TKU = −0,5…+0,2 %/°С).

/>/>

Рисунок 3.6 –Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его условное графическоеобозначение

Стабилитроныиспользуют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксацииуровней напряжений в различных схемах.

Стабилизациюнизковольтного напряжения в пределах 0,3…1В можно получить при использованиипрямой ветви ВАХ кремниевых диодов. Диод, в котором для стабилизации напряженияиспользуется прямая ветвь ВАХ, называют стабистором. Существуют такжедвухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительноначала координат.

Стабилитроныдопускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующеенапряжение равно сумме напряжений стабилитронов:

Uст = Uст1 + Uст2 +…

Параллельноесоединение стабилитронов недопустимо, т.к. из-за разброса характеристик ипараметров из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет возникатьтолько в одном, имеющем наименьшее стабилизирующее напряжение Uст, что вызовет перегрев стабилитрона.

3.3 Туннельные и обращенные диоды

Туннельный диод– это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в которомтуннельный эффект приводит к появлению на вольт — амперной характеристике припрямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диодизготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрациейпримесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники смалым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкийр-n- переход. В таких переходах возникают условия дляотносительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальныйбарьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямойветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.Туннельный эффект состоит в том, что при достаточно малой высоте потенциальногобарьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения ихэнергии.

Основныепараметры туннельных диодов:

· пиковый ток Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ;

· ток впадины Iв − прямой ток в точке минимума ВАХ;

· отношение токов туннельного диода Iп/Iв;

· напряжение пика Uп – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

· напряжение впадины Uв − прямое напряжение, соответствующее токувпадины;

· напряжение раствора Uрр.

Туннельные диодыиспользуются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также вбыстродействующих переключающих и импульсных схемах.

/>

Рисунок 3.7 –Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Обращенный диод– диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в которомпроводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительнобольше, чем при прямом напряжении.

Принцип действияобращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенныхдиодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтомуконтактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина р-n- перехода больше. Это приводит к тому, что под действиемпрямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенныхдиодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через р-n- переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратномнапряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещениеэлектронов сквозь потенциальный барьер из р- области в n-область.Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь.

Таким образом,обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее)направление у них соответствует обратному включению, а запирающее(непроводящее) – прямому включению.

/>

Рисунок 3.8 – Вольт-ампернаяхарактеристика обращенного диода

Обращенные диодыприменяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователейсигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

3.4 Варикапы

Варикап – этополупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величиныобратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элементас электрически управляемой емкостью.

Полупроводниковымматериалом для изготовления варикапов является кремний.

Основныепараметры варикапов:

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

· коэффициент перекрытия по емкости />; (Кс = 5…20) – отношение емкостейварикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.

Варикапы широкоприменяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, впараметрических усилителях.

/>

Рисунок 3.9 –Вольт-фарадная характеристика варикапа

3.5 Расчет электрических цепей с полупроводниковымидиодами.

В практическихсхемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рис.3.10, а). Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциалотносительно катода.

Режим диода снагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейнымсопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений,так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному токуRо исопротивления нагрузочного резистора Rн. Но диод обладает нелинейным сопротивлением,и значение Rо унего изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически.Задача состоит в следующем: известны значения Е, Rн и характеристика диода, требуется определитьток в цепи I и напряжение на диоде Uд.

/>

Рисунок 3.10

Характеристикудиода следует рассматривать как график некоторого уравнения, связывающеговеличины I и U. А длясопротивления Rнподобным уравнением является закон Ома:

/>                                     (3.1)

Итак, имеютсядва уравнения с двумя неизвестными I и U, причем одно из уравнений дано графически. Для решениятакой системы уравнений надо построить график второго уравнения и найти координатыточки пересечения двух графиков.

Уравнение длясопротивления Rн– это уравнение первой степени относительно I и U. Его графиком является прямая линия называемая линиейнагрузки. Она строится по двум точкам на осях координат. При I = 0 из уравнения (3.1) получаем: Е − U = 0 или U = Е,что соответствует точке А на рис. 3.10, б. А если U = 0, то I = E/Rн.откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). через точки А и Б проводимпрямую, которая является линией нагрузки. Координаты точки Dдают решение поставленной задачи.

Следуетотметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не делать, если Rн >> Rо. В этом случае допустимо пренебречьсопротивлением диода и определять ток приближенно: I » E/Rн.

Рассмотренныйметод расчета постоянного напряжения можно применить для амплитудных илимгновенных значений, если источник дает переменное напряжение.

Посколькуполупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо вобратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямленияпеременного тока.

Простейшая схемадля выпрямления переменного тока показана на рис. 3.11. В ней последовательно соединенисточник переменного ЭДС – е, диод VD и нагрузочныйрезистор Rн. Этасхема называется однополупериодной.

Работапростейшего выпрямителя происходит следующим образом. В течение одногополупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий нарезисторе Rнпадение напряжения UR. В течение следующего полупериоданапряжение является обратным, тока практически нет и UR = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резисторпроходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода. Этот токназывают выпрямленным током. Он создает на резисторе Rн выпрямленное напряжение. Графики на рис. 3.11,б иллюстрируют процессы в выпрямителе.

/>

Рисунок 3.11

Амплитудаположительных полуволн на диоде очень мала. Это объясняется тем, что когдапроходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает нанагрузочном резисторе Rн,сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае

/>.                           (3.2)

Для обычныхполупроводниковых диодов прямое напряжение не более 1…2В. Например, пустьисточник имеет действующее напряжение Е=200В и />. Если Uпр max = 2В, то UR max = 278В.

Приотрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падениенапряжения на резисторе Rнравно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для негообратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряженияравно амплитуде ЭДС источника.

Простейшая схемаприменения стабилитрона приведена на рис. 3.12, а. Нагрузка (потребитель)включена параллельно стабилитрону. Поэтому, в режиме стабилизации, когданапряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и нанагрузке. Обычно Rогррассчитывают для средней точки Т характеристики стабилитрона.

Рассмотримслучай, когда Е = const, а Rн изменяется в пределах от Rн min до Rн max..

Значение Rогр можно найти последующей формуле:

/>                                          (3.3)

где    Iср = 0,5(Iст min+Iст max) – средний ток стабилитрона;

Iн = Uст/Rн – ток нагрузки (при Rн = const);

Iн.ср= 0,5(Iн min+Iн max), (при Rн = var),

причем       />      и        />.

/>

Рисунок 3.12

Работу схемы вданном режиме можно объяснить так. Поскольку Rогр постоянно и падение напряжения на нем,равное (Е − Uст), также постоянно, то и ток в Rогр,равный (Iст + Iн.ср),должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если токстабилитрона I и ток нагрузки Iн изменяются в одинаковой степени, но впротивоположные стороны. Например, если Iн увеличивается, то ток Iна столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Принцип действиястабилитрона рассмотрим на примере цепи, состоящей из последовательно соединенногоисточника переменной ЭДС – е, стабилитрона VD ирезистора R (рис. 3.13, а).

В положительныйполупериод на стабилитрон подается обратное напряжение, и до величинынапряжения пробоя стабилитрона все напряжение прикладывается к стабилитрону,так как ток в цепи равен нулю. После электрического пробоя стабилитронанапряжение на стабилитроне VD остаетсябез изменений и все оставшеесянапряжение источника ЭДС будет приложено к резистору R.В отрицательный полупериод стабилитрон включен в проводящем направлении,падение напряжения на нем порядка 1В, а оставшееся напряжение источника ЭДСприложено к резистору R.

/>

Рисунок 3.13