Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод – объём полупроводника с одним p-n-переходом и двумя выводами. Большинство диодов выполняются на основе несимметричных p-n-переходов. Одна из областей диода высоко легированная, называется эмиттер, другая слабо легированная – база. Несимметричный p-n-переход размещается в базе.

Обозначения полупроводника диода.

ВАХ идеального диода совпадает с ВАХ p-n-перехода:

В реальном диоде прямая и обратная ветви отличаются от идеальных. При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление областей базы и эмиттера диода. Это приводит к тому, что ВАХ прямая ветвь смещается вправо и зависит линейно от приложенного напряжения. Обратная ветвь диода зависит от величины обратного напряжения, т.е. наблюдается рост обратного тока. Это объясняется:

1.Генерационно-рекомбинационными процессами в p-n-переходах.

2.Наличием тока утечки.

ВАХ реального диода.

, где R₀ – объёмное сопротивление базы эмиттера.

Эквивалентная схема диода при больших напряжениях.

R_б>>R_э

R_en-сопротивление поверхности

p-n-перехода между двумя областями

Эквивалентная схема диода при малых напряжениях.

Состоит только из линейных элементов.

R _p-n-дифференциальное сопротивление диода на рабочем участке.

С_p-n-ёмкость диода на рабочем участке.

Влияние температуры на ВАХ диода.

С повышением температуры растёт число неосновных носителей, а следовательно и тепловой ток p-n-перехода J₀. Это влияет на прямую и обратную ветвь диода.

T₁>T₀

I_0(T)=I₀(T₀)2^(T-To)/T*

Прямая ветвь диода с повышением температуры смещается влево. Это смещение характеризуется температурным коэффициентом напряжения для диода ТКН=-2,3мв/с⁰.

Классификация диодов по их назначению.

1.Выпрямительные.

2.Импульсные.

3.Стабилитроны.

4.Варикапы.

5.Туннельные диоды.

1.Выпрямительные.

Предназначаются для выпрямления низкочастотного переменного тока, и используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока, в однополярный. Поскольку выпрямительные диоды требуют больших величин выпрямленных токов, то все они имеют большую площадь p-n-перехода, а следовательно, и большие значения J_обр и C_p-n.

Основные параметры выпрямительных диодов.

1.J_{пр ср max} - максимально допустимый средний, прямой ток. Превышение его вызывает разрушение диода от перегрева.

2.U_пр – прямое напряжение на p-n-переходе при заданном прямом токе.

3.J_обр - величина обратного тока при определённом обратном напряжении.

4.U_обр – максимально допустимое обратное напряжение после которого наступает пробой диода.

5 .Предельно допустимая мощность, рассеиваемая диодом.

Трансформатор служит для понижения напряжения. Диод служит для выпрямления переменного тока.

Двухполупериодный выпрямитель.

Импульсные диоды.

Предназначены для работы с импульсными сигналами (быстро изменяющимися во времени). Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:

1. Замкнутое. R_vd =0

2. Разомкнутое. R_vd= ∞

Таким же требованиям удовлетворяют и диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения.

3. Быстродействие ключа. В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает величину ёмкости диода. Факторами, ограничивающими скорость переключения диода является:

а) ёмкость.

б) скорость диффузии.

в) время рассасывания неосновных носителей заряда.

Основные параметры импульсных диодов аналогичны параметрам выпрямительных диодов, кроме того, имеют специфические, учитывающие быстродействие переключения.

1. Ёмкость диода (1пФ)

2. Время установления прямого напряжения на диоде (прямого сопротивления). Определяется скоростью диффузии инжектированных в базу неосновных носителей заряда, в результате чего изменяется сопротивление базы. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода. Обнаружить время установления диода можно из следующего эксперимента.

3.Время восстановления обратного сопротивления диода. Определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения достигает своего станцеонарного значения.

Диоды Шотки.

В них электрический переход выполнен на границе металл-полупроводник. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, n-типа.

На границе металл-полупроводник. Создаётся область, обеднённая основными носителями, которая имеет несимметричную ВАХ.

При работе в диодах Шотки неосновные носители не участвуют. Отсутствие неосновных носителей снимает проблему их накопления и рассасывания, а потому t_уст и t_восст равны нулю. А потому диоды Шотки имеют высокое быстродействие переключения.

Варикапы.

Это электрически перестраиваемая емкость на основе обратносмещённого p-n-перехода. Варикапы предназначены для использования в качестве конденсатора, емкость которого зависит от величины обратного напряжения.

, где С₀ – емкость при напряжении равном нулю, U – напряжение на емкости, φ_к – контактная разность потенциалов, ν – равна 1/2 - 1/3 (в зависимости от способа изготовления

Основные параметры варикапа:

1) Ёмкость при определённом обратном напряжении.(С_в ,U=5в)

2) Коэффициент перекрытия: К_п = С_{в max}/C_{в min}. (5 – 8)

3) Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) равен ΔC/СΔT,

ТКЕ = (ΔC/СΔT)100%.

4) Добротность. Q=X_cв/r_п; где Х_св - реактивное сопротивление варикапа, r_п- сопротивление активных потерь.

Схема включения варикапа.

Варикапы обычно используются для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров.

Сопротивление служит для задания напряжения управляющего С_к. С_сб>>C_к устраняет шунтирование варикапа катушкой L_k по постоянному току.

L_бл устраняет шунтирование колебательного контура резистором по переменному сигналу. C_бл ,L_бл – вспомогательные элементы,C_к,L_к – основные.

Стабилитроны и стабисторы.

Приборы, на основе p-n-перехода, предназначенные для стабилизации напряжения. Стабилитрон – полупроводник диод, ВАХ который имеет участок малой зависимости приложенного напряжения от тока, протекающего через него. Такой участок лежит на обратной ветви ВАХ и возникает в результате пробоя диода.

Основные параметры:

1. U_{стаб.номин.}

2. ΔU_стаб.- разброс напряжения стабилизации.

3. J_{ст.номин.}

4,5. J_ст.min , J_ст.max

6. Дифференциальное сопротивление стабилизатора на рабочем участке Rg=(ΔU/ΔJ)/J=J_{ст номин}

7. (Т.К.Н.) Температурный коэффициент напряжения.

Параметрический стабилизатор напряжения.

R_н - сопротивление нагрузки.

R_огр - ограничивающее сопротивление.

VD - стабилитрон.

Обеспечивает постоянное напряжение на выходе при уменьшении напряжения на входе или на нагрузке.

U_вых=U_вх-I₀R_огр

Пусть входное напряжение возросло, тогда возрастет ток J₀.При возрастании J₀ возрастет только ток J_VD, благодаря чему напряжение на нагрузке остаётся постоянным.

Порядок расчёта параметрического стабилизатора:

Задано входное напряжение и возможное изменение тока через нагрузку ΔJ_н.

Выбор стабилитрона:

U_вых=U_{ст. ном}

ΔJ_н≤J_{ст. ном}

Расчёт:

R_огр = (U_вых-U_{ст. ном})/J_{ст. ном}

Большинство стабилитронов имеют положительный Т.К.Н., причём его величина довольно большая. Для уменьшения Т.К.Н., применяют термокомпенсированные стабилитроны.

TКH(VD)_ст>0,

ТКН(VD)_диода =-0,23В/г.

Стабилитроны, предназначенные для стабилизации двухполярного напряжения, называются двуханодые стабилитроны.

Если в одном корпусе:

Cтабисторы.

Стабистор предназначен для стабилизации напряжения и представляет собой диод, смещённый в прямом напряжении.

Остальные параметры стабисторов аналогичны параметрам стабилитронов. Стабисторы имеют U_{ст ном}>3,2В. Стабисторы используются для получения стабируемых напряжений <3,2В.

Туннельный и обращенный диоды.

На границе сильнолегированных p-n областей имеет место туннельный эффект. Он проявляется в том, что на прямой ветви ВАХ диода появляется участок с отрицательным сопротивлением. Обратная ветвь такого диода практически отсутствует, то есть при малых обратных напряжениях начинается туннельный пробой, а отсюда резкое возрастание обратного тока.

(рис.1) (рис. 2)

На (рис.1) ВАХ обычного диода, а на (рис.2) – ВАХ диода с концентрацией примесей 10²¹.

Участок с отрицательным сопротивлением позволяет использовать туннельные диоды для усиления и генерации электрических сигналов.