11.Контакт металл-полупроводник, выпрямляющий и невыпрямляющий.

Уровни энергии валентных электронов образуют валентную зону (ВЗ), а следующий уровень энергии, находящийся выше ВЗ образ. зону проводимости (ЗП). ЗП и ВЗ разделены запрещенной зоной (ЗЗ), ширина кот. различна у разных материалов.

У проводников-металлов – ВЗ заполнена частично, электроны занимают нижнюю часть зоны, а верхние уровни ВЗ не заполнены. Под действием слабого внешн. электр. поля валентные электроны приобрет. доп. энергию – кинетическую, заполняя в ВЗ занятые более высокие уровни энергии. Это означает, что электроны под действ. электр. поля приобрет. скорость и участвуют в перенесении электр. заряда, т.е. протекает электрический ток. Возможна и другая зонная структура проводника, при кот. ВЗ целиком заполнена валентными электронами, но ВЗ и ЗП перекрываются, т.е. ЗЗ отсутствует. В этом случае электроны под действием электр. поля могут приобретать дополнительную кинетич. энергию, занимая свободные уровни энергии в ЗП. Валентные электроны в металле принадлежат одновременно всем атомам кристалла и явл. свободными носителями заряда.

Если ВЗ заполнена целиком и ширина ЗЗ не равна 0, то валент. электроны не могут приобретать дополнит. кинетич. энергию и не явл. свободными. Если же вал. электрону собщить энергию, способную преодолеть ЗЗ, то он переходит из ВЗ на один из незанятых уровней ЗП и станов. свобод. носителем заряда. Одновременно в ВЗ появляется один свобод. уровень, соответствующий дырке, что позволяет электронам ВЗ перемещаться. Переход электрона из ВЗ в ЗП может произойти под действием тепловой энергии или какого либо другого источника энергии.

Если ширина ЗЗ относительно велика то тепловой энергии электронов недостаточно, чтобы перейти им из ВЗ в ЗП. Свободных носителей заряда в таких материалах нет и их относят к диэлектрикам.

При отрицательной полуволне входного напряжения на анод диода прикладывается отрицательное напряжение ( – , + в скобках) и диод проводит только обратный ток Iобр. Так как обратный ток через диод очень мал, то отрицательная полуволна на нагрузке практически отсутствует. Таким образом, происходит выпрямление переменного напряжения. На диаграммах (рис. 2.5б) показаны влияния неидеального диода – это конечные значения прямого напряжения Uпр и обратного тока Iобр.

Необходимо отметить, что допустимый прямой ток и допустимое обратное напряжение зависят от температуры окружающей среды. При высокой температуре может возникнуть тепловой пробой, поэтому подводимое напряжение и выпрямленный ток должны быть ниже по сравнению с допустимыми.

Для того, чтобы положить большие допустимые напряжения, выпрямительные диоды соединяются последовательно. Но для равномерного распределения обратного напряжения им параллельно включают выравнивающие резисторы. Для увеличения прямого тока диодов их необходимо соединять параллельно. При этом возникает необходимость выравнивания токов, для чего последовательно с каждым диодом включают резисторы.

Токи мощных диодов выравнивают с помощью индуктивных деталей.

Зависимость ВАХ кремниевого диода от температуры (t) показана на рисунке.

Из рис. следует, что ход прямой ветви ВАХ при изменении (t) изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры (t) практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной t.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока, т.е. для преобразования переменного тока в постоянный.

Идеальный вентиль, необходимый для выпрямления, должен пропускать ток только в одном направлении неограниченно, а в противоположном – нет. Характеристика такого прибора показана на рис. 2.4а. Как видно, при напряжении U<0 ток I=0, а U>0 I→∞. Реальная же характеристика выпрямительного диода отличается от идеальной как по прямой, так и обратной ветви ВАХ (рис. 2.4б).

Причем надо заметить, что по прямой ветви большее отличие наблюдается у кремниевого, а по обратной – у германиевого. Следовательно, с точки зрения выпрямительных свойств по прямой ветви лучшим является германиевый (меньшее падение напряжения на самом диоде), а по обратном ветви – кремниевый (меньший обратный ток). Поэтому выбор полупроводникового выпрямительного диода должен производиться исходя из конкретных условий и требований потребителя. Но с учетом большей термостойкости кремниевых материалов преимущественное применение находят кремниевые диоды.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1.Максимально допустимый выпрямленный ток – Iпр.

2. Прямое падение напряжения – Uпр.

3.Максимально допустимое обратное напряжение – Uобр.

В качестве параметров указываются также обратный ток при заданном обратном напряжении, дифференциальное сопротивление, емкость диода и др.

На рис. 2.5а,б показаны соответственно схема простейшего однополупериодного выпрямителя и графики процесса выпрямления.

При действии положительной полуволны входного переменного напряжения на анод диода прикладывается положительное напряжение ( +, – без скобок). Диод проводит ток, который ограничивается сопротивлением нагрузки Rн

Iпр = (Uвх – Uд) / Rн Uвх / Rн

выпрямительные,

А + К

При отрицательной полуволне входного напряжения на анод диода прикладывается отрицательное напряжение ( – , + в скобках) и диод проводит только обратный ток Iобр. Так как обратный ток через диод очень мал, то отрицательная полуволна на нагрузке практически отсутствует. Таким образом, происходит выпрямление переменного напряжения. На диаграммах (рис. 2.5б) показаны влияния неидеального диода – это конечные значения прямого напряжения Uпр и обратного тока Iобр.

Необходимо отметить, что допустимый прямой ток и допустимое обратное напряжение зависят от температуры окружающей среды. При высокой температуре может возникнуть тепловой пробой, поэтому подводимое напряжение и выпрямленный ток должны быть ниже по сравнению с допустимыми.

Для того, чтобы положить большие допустимые напряжения, выпрямительные диоды соединяются последовательно. Но для равномерного распределения обратного напряжения им параллельно включают выравнивающие резисторы. Для увеличения прямого тока диодов их необходимо соединять параллельно. При этом возникает необходимость выравнивания токов, для чего последовательно с каждым диодом включают резисторы.

Токи мощных диодов выравнивают с помощью индуктивных деталей.

Зависимость ВАХ кремниевого диода от температуры (t) показана на рисунке.

Из рис. следует, что ход прямой ветви ВАХ при изменении (t) изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры (t) практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной t.