ВАХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА

РЕЗИСТОРЫ, КОНДЕНСАТОРЫ

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Резисторы

Резисторы относятся к наиболее распространенным деталям радиоэлектронной аппаратуры. На их долю приходится от 20 до 50%, т. е. до половины общего количества радиодеталей в устройстве. Принцип работы резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему току. Резисторы характеризуются следующими основными параметрами:

Номинальное значение сопротивления . Измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегаомах (МОм). ,

Номинальные значения сопротивлений указывают на корпусе резистора. Номинальное значение сопротивления соответствует значению из стандартных рядов сопротивлений, приведенных в приложении 1.

Допустимое отклонение действительного сопротивления резистора от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности. Наиболее широко используются три класса точности: I – допускающий отклонение сопротивления от номинального значения на ± 5%, II – на ±10%, III – на ±20%. В современной РЭА часто применяют резисторы с повышенной точностью сопротивления, они выпускаются с допусками (%): ±2; ±1; ±0,5; ±0,2; ±0,1; ±0,05; ±0,02; ±0,01 и т. д.

Номинальное значение мощности рассеивания резистора Rном. Этот параметр измеряется в ваттах (Вт). Это наибольшая мощность постоянного или переменного тока, при протекании которого через резистор он может работать длительное время без повреждений. Мощность Рном, ток I, протекающий через резистор, падение напряжения U на резисторе и его сопротивление R связаны зависимостью: P=UI U=IR. В большинстве устройств РЭА применяют резисторы с номинальной мощностью рассеивания от 0,125 до 2 Вт.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора. Характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1°С и выражается в процентах. В резисторах ТКС незначительный и составляет в среднем десятые доли – единицы процента.

Электродвижущая сила (ЭДС) собственных шумов. Собственные шумы резистора возникают за счет неупорядоченного движения части электронов при приложенном к нему напряжении. ЭДС собственных шумов (Еш) измеряется в микровольтах на вольт приложенного напряжения (мкВ/В). Эта величина для резисторов также незначительная и составляет единицы микровольт на вольт.

Собственная индуктивность и емкость резисторов. Определяются габаритными размерами, конструкцией и влияют на частотный диапазон применения резисторов.

Резисторы используют для ограничения силы тока в цепях, для создания на отдельных участках схем необходимых падений напряжений, для различных регулировок (громкости, тембров и т. д.) и еще во многих случаях.

Условно-графическое обозначение резисторов и схемы соединения

Согласно ГОСТ2.728-74, УГО постоянного проволочного резистора имеет следующий вид:

Рис. 1. УГО проволочного резистора

Существуют два основных вида схем включения резисторов – последовательное включение резисторов и параллельное.

При последовательном включении резисторов их эквивалентное сопротивление будет равно сумме всех отдельных сопротивлений

При параллельном включении резисторов их эквивалентное сопротивление можно рассчитать по формуле

.

Конденсаторы

Электрическим конденсатором называют устройства, предназначенные для накопления электрического заряда.

Принцип действия конденсатора основан на накоплении электрического заряда между двумя близко расположенными проводниками. Такие проводники так же называются обкладками. В зависимости от типа диэлектрика, который разделяет обкладки различают виды конденсаторов.

К основным параметрам конденсатора относят:

Электрическая номинальная емкость – способность конденсатора накапливать на обкладках электрические заряды под воздействием электрического поля. Номинальная емкость указывается на конденсаторе или в сопроводительной документации, выбирается в соответствии с установленным рядом. Измеряется в фарадах [Ф], однако 1Ф достаточно крупная величина, поэтому значение обычных конденсаторов употребляется с приставками нано- (10 –9), микро- (10 –6), мили- (10 –3).

Допустимое отклонение действительного емкости конденсатора от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – относительное изменение емкости конденсатора под действием температуры. Под действием температуры обкладки конденсатора меняют свои геометрические размеры, изменяется расстояние между ними и значение диэлектрической проницаемости диэлектрика, поэтому изменяется и значение емкости конденсатора. Для всех конденсаторов данная зависимость нелинейная, однако, в зависимости от типа диэлектрика, для некоторых она приближается к линейной.

Номинальное напряжение U – максимально допустимое значение постоянного напряжения (или суммы постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей) при котором конденсатор может работать в течении всего гарантированного срока службы при нормальной температуре.

Условно-графическое обозначение конденсаторов и схемы соединения

Согласно ГОСТ2.728-74на принципиально-электрических схемах конденсаторы обозначаются:

Рис. 2. УГО конденсатора

Существуют два основных вида схем включения конденсаторов – последовательное и параллельное.

При параллельном включении конденсаторов их емкость складывается по формуле

.

При последовательном включении конденсаторов их эквивалентную емкость можно рассчитать по формуле

.

Маркировка резисторов и конденсаторов

Маркировка резисторов

Согласно ГОСТ 28883-90 – промышленно выпускаемых резисторах применяется следующие системы маркировок:

Буквенная полная

Параметры и характеристики, входящие в полное условное обозначение резистора, указываются в следующей последовательности: номинальная мощность рассеяния, номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения, допускаемое отклонение сопротивления в процентах (%), функциональная характеристика, обозначение конца вала и длинны выступающей части вала.

Пример полного условного обозначения постоянного непроволочного резистора с регистрационным номером 4, номинальной мощностью рассеяния 0,5 Вт, номинальным сопротивлением 10 кОм, с допуском ±1%, группой по уровню шумов А, группы ТКС – Б, все климатического исполнения В.

Р1-4‑0,5‑10кОм±1% А-Б-В ОЖО.467.157 ТУ

Буквенные сокращения

Ввиду того что полное условное обозначение занимает значительное место на корпусе резистора, то его применение не всегда возможно и удобно, поэтому было введено сокращенное буквенное обозначение в состав которого входит обозначение номинального сопротивления и допускаемого отклонения. Номинальное сопротивление обозначается в виде кода. Кодированное обозначение номинального сопротивления состоит из трех или четырех знаков, включающих в себя две или три цифры и букву латинского алфавита. Буква кода из русского или латинского алфавита обозначает множитель, составляющий сопротивление, и определяет положение запятой десятичного знака. Буквы R, K, M, G, T обозначают соответственно множители 1, 10 3 , 10 6 , 10 9 , 10 12 . Примеры кодированных обозначений номинального сопротивления выглядят следующим образом: 215 Ом – 215R, 150 кОм – 150K,2,2 Мом – 2M2,6,8 ГОм – 6G8,1 ТОм – 1T0 Кодированное обозначение допускаемого отклонения состоит из буквы соответствующей отклонению в %. Значение букв кодировки приведено в приложении 2.

Помимо описанной выше кодировки в промышленно выпускаемых резисторах применяется цветовая кодировка.

Маркировка конденсаторов

Краткая буквенная маркировка конденсатора выполняется по аналогичным правилам, что и маркировка резисторов. Номинальная емкость конденсатора выражается с помощью 3-4 чисел и кодового обозначения множителя. Принято использовать следующие буквы p, n, μ, m, соответствующие множителям пико- , нано-, микро-, мили- фарад.

Пример маркировки конденсатора: p10 – 0.1пФ; 1μ5 – 1.5мкФ.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ:

ВАХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА

Сравнение характеристики реального диода с характеристикой идеального p-n перехода.

Известно, что статическая ВАХ идеализированного полупроводникового диода описывается выражением:

,

где I – ток диода; U – приложенное к нему напряжение; Is – ток насыщения, определяемый параметрами p-n перехода; kT /q – тепловой потенциал (kT /q =0,0259 В при Т=300К).

Вид характеристики описанной данным выражением представлен на рис. 3.

Рис. 3. ВАХ идеального p-n перехода.

При изображении ВАХ масштаб по осям прямых и обратных напряжений выбирается разным, так как эти значения различаются на порядки. Разные масштабы создают впечатление излома характеристики в нулевой точке, в действительности же ВАХ является дифференциально-гладкой. На прямой ветви характеристики зависимость тока от напряжения носит экспонентациальный характер, а после прохождения напряжение через пороговое значение U пр дальнейшее изменение напряжения на десятые доли вольта вызывает значительное изменение тока через диод.

Единственный параметр ВАХ, связанный с физико-конструктивными параметрами и геометрическими размерами активной области диода, является ток насыщения I s .

где q – заряд электрона; n i – собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике; N Db и L pb – коэффициент диффузии и диффузионная длинна неосновных носителей в ней; W b – толщина базы; F – площадь p-n перехода.

ВАХ реального диода отличается от характеристики идеального p-n перехода в силу ряда причин:

· Рекомбинации и генерации дырок и электронов в ОПЗ перехода

· Падения напряжения на объемном сопротивлении базы

· Появления эффектов высокого уровня инжекции при больших токах

· Наличия токов утечки через p-n переход

· Начала пробоя на обратной ветви ВАХ

· Неоднородного легирования базы

· Разогрева p-n перехода выделяемой мощностью

Перечисленные эффекты приводят к тому, что ВАХ диода описывается только качественно.

Обратная ветвь ВАХ образуется суммой трех составляющих:

тока насыщения I s , тока термогенерации в ОПЗ p-n перехода I G и тока утечки I ут . Соотношение между этими составляющими для диодов из разных полупроводниковых материалов различно

Ток термогенерации в p-n-переходе описывается формулой

где δ – ширина p-n-перехода; τ pn – эффективное время жизни, характеризующее темп генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ перехода. Ток зависит от приложенного обратного напряжения через зависимость δ (U ).

Ток утечки обусловлен проводящими каналами внутри p-n-перехода и на поверхности кристалла. Он зависит от площади и периметра перехода и ряда других факторов и имеет примерно линейную зависимость от обратного напряжения.

Прямая ветвь ВАХ реального диода сохраняет экспоненциальную зависимость тока от напряжения, поэтому ее можно описывать выражениями типа:

где I 0 и m – параметры характеристики, которые могут изменяться на различных участках ВАХ.

Сравнение характеристик диодов из различных
материалов

Исследуемые в работе диоды выполнены из различных полупроводниковых материалов, но имеют примерно одинаковые физико-конструктивные параметры. Отличие их характеристик связано с отличием параметров:

· Ширины запрещенной зоны

· Подвижности носителей заряда

· Время жизни носителей заряда и др.

Наибольшее влияние на различие параметров оказывает разница в значениях ширины запрещенной зоны E g . Она определяет собственную концентрацию носителей заряда n i которая входит в выражение параметров ВАХ.

Значение ширины запрещенной зоны E g и n i приведены в приложении 3.

Токи насыщения всех диодов, кроме германиевого, очень малы и составляют единицы наноампер, поэтому основным компонентом обратного тока этих диодов является ток утечки. Основное отличие прямых ветвей ВАХ различных диодов заключается в различном значении тока насыщения. В приложении 3 приведены значения U ПР полученные теоретическим путем у реальных диодов оно может отличаться по ряду причин, в основном из-за падения на объемном сопротивлении базы.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для исследования вольтамперной характеристики реального диода студентам необходимо произвести сборку схемы эксперимента

Рис. 4. Схема эксперимента

В качестве милиамперметра и вольтметра могут быть использованы цифровой осциллограф либо цифровые мультиметры. В качестве источника используется управляемый источник напряжения на учебном стенде NI ELVIS. В целях обеспечения бесперебойной работы генератора стенда в цепь необходимо включить ограничивающее сопротивление R, значение которого студентам необходимо рассчитать, используя параметры стенда.

После сборки схемы и её проверки преподавателем, студентам необходимо произвести серию экспериментов. Путем регулировки значения напряжения на выходе с генератора и записью показаний приборов в таблицу.

Принцип работы, основные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов можно рассмотреть используя их вольтамперную характеристику (ВАХ), которая схематично представлена на рисунке 1.

Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.

При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр . Этот ток называется прямым Iпр . Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:

• 0,7 Вольт для кремниевых диодов,
• 0,3 Вольт - для германиевых.

Естественно, прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:

• пробой - диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
• обрыв - здесь, думаю, пояснения излишни.

Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр , которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.

Числовые значения рассмотренных параметров для каждого типа диода индивидуальны и являются его основными электрическими характеристиками. Должен заметить, что существует ряд других параметров (собственная емкость, различные температурные коэффициенты и пр.), но для начала хватит перечисленных.

Здесь предлагаю закончить с чистой теорией и рассмотреть некоторые практические схемы.

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИОДОВ

Для начала давайте рассмотрим как работает диод в цепи постоянного (рис.2) и переменного (рис.3) тока, что следует учитывать при том или ином включении диодов.

При подаче на диод прямого постоянного напряжения через него начинает протекать ток, определяемый сопротивлением нагрузки Rн . Поскольку он не должен превышать предельно допустимого значения следует определить его величину, после чего выбрать тип диода:

Iпр=Uн/Rн - все просто - это закон Ома .

Uн=U-Uоткр - см. начало статьи. Иногда величиной Uоткр можно пренебречь, бывают случаи, когда ее необходимо учитывать, например при расчете схемы подключения светодиода .

Это самое основное, про что надо помнить.

Теперь - несколько схем подключения диодов, часто встречающихся на практике.

Вне всякого сомнения, лидером здесь является мостовая схема диодов, используемая во всевозможных выпрямителях (рисунок 4). Выглядеть она может по разному, принцип действия одинаков, думаю из рисунка все ясно. Кстати, последний вариант - условное обозначение диодного моста в целом. Применяется для упрощения обозначения двух предыдущих схем.

1. Диоды могут выступать как "развязывающие" элементы. Управляющие сигналы Упр1 и Упр2 объединяются в точке А , причем взаимное влияние их источников друг на друга отсутствует. Кстати, это простейший вариант реализации логической схемы "или".
2. Защита от переполюсовки (жаргонное - "защита от дураков"). Если существует возможность неправильного подключения полярности напряжения питания эта схема защищает устройство от выхода из строя.
3. Автоматический переход на питание от внешнего источника. Поскольку диод "открывается", когда напряжение на нем достигнет Uоткр , то при Uвнеш питание осуществляется от внутреннего источника, иначе - подключается внешний.

© 2012-2017 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и с двумя электродами. Принцип действия полупроводникового диода основан на явлении p-n перехода, поэтому для дальнейшего изучения любых полупроводниковых приборов нужно знать как работает .

Выпрямительный диод (также называют вентилем) — это разновидность полупроводникового диода который служит для преобразования переменного тока в постоянный.

У диода есть два вывода (электрода) анод и катод. Анод присоединён к p слою, катод к n слою. Когда на анод подаётся плюс, а на анод минус (прямое включение диода) диод пропускает ток. Если на анод подать минус, а на катод плюс (обратное включение диода) тока через диода не будет это видно из вольт амперной характеристики диода. Поэтому когда на вход выпрямительного диода поступает переменное напряжение через него проходит только одна полуволна.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.

Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. I. 2. В первом квадранте показана прямая ветвь характеристики, описывающая состояние высокой проводимости диода при приложенном к нему прямом напряжении, которая линеаризуется кусочно-линей­ной функцией

u = U 0 +R Д i

где: u — напряжение на вентиле при прохождении тока i; U 0 — пороговое напряжение; R д — динамическое сопротивление.

В третьем квадранте находится обратная ветвь вольт-амперной характеристики, описывающая состояние низкой проводимости при проложенном к диоду обратном напряжении. В состоянии низкой проводимости ток через полупроводниковую структуру практически не протекает. Однако это справедливо только до определённого значения обратного напряжения. При обратном напряжении, когда напряженность электрического поля в p-n переходе достигает порядка 10 s В/см, это поле может сообщить подвижным носителям заряда - электронам и дыркам, постоянно возникающим во всем объеме полупроводниковой структуры в результате термической генерации,- кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов кремния. Образовавшиеся дырки и электроны проводимости, в свою очередь, ускоряются электрическим полем p-n перехода и также ионизируют нейтральные атомы кремния. При этом происходит лавинообразное нарастание обратного тока, .т. е. лавинный пробои.

Напряжение, при котором происходит резкое повышение обратного тока, называется напряжением пробоя U 3 .

Характеристики и параметры выпрямительных и универсальных диодов

Выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока низкой частоты. В основе выпрямительных свойств этих диодов лежит принцип односторонней проводимости электронно-дырочных р-и-переходов.

Универсальные диоды используют в различной радиоэлектрон-ной аппаратуре в качестве выпрямителей переменного тока высоких и низких частот, умножителей и преобразователей частоты, детекто-ров больших и малых сигналов и т. д. Диапазон рабочих токов и напряжений выпрямительных и уни-версальных диодов очень широк, поэтому они выпускаются как с точечным так и плоскостным р-n-переходом в структуре полупроводника с площадями от десятых долей квад-ратного миллиметра до несколь-ких квадратных сантиметров. Обычно в универсальных диодах используются переходы с малыми площадями и емкостями, но с от-носительно высокими значениями прямых токов и обратных напря-жений. Этим требованиям удовлет-воряют точечные, микросплавные плоскостные и мезапланарные дио-ды. Характеристики и параметры универсальных диодов те же, что и у выпрямительных диодов.

Вольтамперная характеристи-ка (ВАХ) выпрямительных диодов выражает зависимость тока, про-ходящего через диод, от значения и полярности приложенного к нему постоянного напряжения Прямая ветвь характеристики показывает зависи-мость тока через диод при прямой пропускной полярности приложен-ного напряжения. Сила прямого тока экспоненциаль-но зависит от приложенного к диоду прямого напряжения и может достигать больших значений при малом (порядка 0,3 — 1 В) падении напряжения на диоде.

Обратная ветвь характеристики соответствует не-проводящему направлению тока через диод при обратной полярно-сти приложенного к диоду напряжения. Обратный ток (участок. ОД) незначительно зависит от приложенного обратного напряжения. При относительно большом обратном напряжении (точка В на характе-ристике) наступает электрический пробой р-n-перехода, при кото-ром быстро увеличивается обратный ток, что может привести к теп-ловому пробою и повреждению диода. При повышении температуры возрастут тепловой ток и ток генерации носителей зарядов в пере-ходе, что приведет к увеличению прямого и обратного токов и сме-щению характеристик диода.

Свойства и взаимозаменяемость диодов оценивают по их пара-метрам. К основным параметрам относят токи и напряжения, свя-занные с ВАХ Диоды применяют в цепях как переменного, так и постоянного тока. Поэтому для оценки свойств диодов наряду с параметрами на постоянном токе пользуются дифференциальными параметрами, ха-рактеризующими их работу на переменном токе.

Выпрямленный (прямой) ток Iпр представляет собой ток (сред-нее значение за период), проходящий через диод, при котором обес-печивается его надежная и длительная работа. Сила этого тока ог-раничивается разогревом или максимальной мощностью Рмакс. Пре-вышение прямого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.

• Прямое падение напряжения UПр.Ср — среднее значение за пери-од на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.
• Допустимое обратное напряжение U0бр —среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная и длительная работа диода. Превышение обратного напряжения приводит к пробою и вы-ходу диодов из строя. При повышении температуры значения об-ратного напряжения и прямого тока снижаются.
• Обратный ток Iобр — среднее значение за период обратного то-ка при допустимом Uобр. Чем меньше обратный ток, тем лучше

Вы-прямительные свойства диода. Повышение температуры на каждые 10 °С приводит к увеличению обратного тока у германиевых « крем-ниевых диодов, в 1,5 — 2 раза и более.

Максимальная постоянная , или средняя за период мощность Pмакс, рассеиваемая диодом, при которой диод может длительно ра-ботать, не изменяя своих параметров. Эта мощность складывается из суммы произведений токов и напряжений при прямом и обрат-ном смещениях перехода, т. е. за положительный и отрицательный полупериоды переменного тока. Для приборов большой мощности, работающих с хорошим теплоотводом, Pмакс=(Tп.макс — Тк)/Rпк. Для приборов малой мощности, работающих без теплоотвода,

Pмакс = (Tп.макс — Т с) /Rп.с.

Максимальная температура перехода Гп.макс зависит от мате-риала (ширины запрещенной зоны) полупроводника и степени его легирования, т. е. от удельного сопротивления области р-n-перехода — базы. Диапазон Гп.макс для германия лежит в пределах 80 — 110°С, а для кремния 150 — 220 °С.

Тепловое сопротивление Rп.к между переходом и корпусом оп-ределяется температурным перепадом между переходом Тпи кор-пусом Tк и средней выделяемой в переходе мощностью Ра и состав-ляет 1 — 3°С/Вт: Ra.K=(Ta — TK)/Pa. Тепловое сопротивление Rn c между переходом и окружающей средой зависит от температурного перепада между переходом Тп и окружающей средой Тс. Поскольку практически RПK

Предельный режим использования диодов характеризуют мак-симально допустимое обратное напряжение UОбр макс, максимальный выпрямительный ток IПр макс и максимальная темпера-тура перехода ТПмакс С повышением частоты переменного напряжения, подводимого к диоду, ухудшаются его выпрямительные свойства. Поэтому для определения свойств выпрямительных диодов обычно оговаривается диапазон рабочих частот Дf или максимальная частота выпрямле-ния fмакс На частотах, больших fмакс, не успевают скомпенсироваться накопленные за время прямого полупериода неосновные носите-ли заряда в базе, поэтому при обратном полупериоде выпрямляемо-го напряжения переход некоторое время остается прямосмещенным (т е теряет свои выпрямительные свойства). Это свойство прояв-ляется тем значительнее, чем больше импульс прямого тока или вы-ше частота подводимого переменного напряжения Кроме того, на высоких частотах начинает проявляться шунтирующее действие барьерной и диффузионной емкостей p-n-перехода, снижающих его выпрямительные свойства

При расчете режима выпрямителей используются статическое со-противление постоянному току и дифференциальное сопротивление диодов переменному току

• Дифференциальное сопротивление переменному току rдиф=dU/dI или rДиф=ДU/ДI определяет изменение тока через диод при изменении напряжения вблизи выбранной рабочей точки на харак-теристике диода. При прямом включении напряжения rдиф Пр=0,026/ /IПр и токе IПр>10 мА оно составляет несколько омов При под-ключении обратного напряжения rДИф обр велико (от десятков ки-лоомов до нескольких мегаомов).
• Статическое сопротивление диода постоянному току гпрд = UПр/Iпр, rобр д = Uобр/Iобр В Области прямых токов rПр д>rдиф пр, а в области обратных r0бр д

Емкости диодов оказывают существенное влияние на их работу на высоких частотах и в импульсных режимах. В паспортных дан-ных диодов обычно приводится общая емкость диода Сд, которая помимо барьерной и диффузионной включает емкость корпуса при-бора Эту емкость измеряют между внешними токоотводами диода при заданных обратном напряжении смещения и частоте тока

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор с одним или несколькими электрическими переходами и двумя выводами для подключения к внешней цепи. Принцип действия большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрических переходах.

Диоды классифицируются: по материалу (селеновые, германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые); структуре перехода (точечные, плоскостные); назначению (выпрямительные, импульсные, стабилитроны и т.д.); диапазону частот (низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные диоды (СВЧ-диоды)); виду вольт-амперной характеристики и т.д.

В зависимости от технологических процессов, используемых при изготовлении диодов, различают: микросплавные, сплавные, диффузионные, планарно-эпитак-
сиальные диоды и их разновидности. Устройство полупроводникового диода, изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии, приведено на рис. 3.4. Вся структура с электрическим переходом заключается в металлический, стеклянный, керамический или пластмассовый корпус для исключения влияния окружающей среды.

Система обозначений полупроводниковых диодов. Для маркировки полупроводниковых диодов используется буквенно-цифровая система условных обозначений согласно ОСТ 11.336.919-81.

Первый элемент – буква или цифра, характеризует используемый материал: Г(1) – германий (Ge); К(2) – кремний (Si); А(3) – галлий (Ga) и его соединения; И(4) – индий In и его соединения. Второй элемент – буква, характеризует функциональное назначение диода: Д – выпрямительный; В – варикап; И – туннельный и обращенный; С – стабилитрон и стабистор; Л – излучающий светодиод. Третий элемент – цифра, характеризует назначение диода и содержит информацию о специальных параметрах диода. Например, для диодов группы Д: 1 – выпрямительные маломощные (ток до 300 мА); 2 – выпрямительные средней мощности (ток до 10 А); 3 – диоды большой мощности (ток свыше 10 А); 4–9 – диоды импульсные с различным временем восстановления. Четвертый элемент (2–3 цифры) – порядковый номер разработки (для стабилитрона – напряжение стабилизации в десятых долях вольта). Пятый элемент – буква, характеризует группу диодов с различными параметрами.

Условные графические обозначения полупроводниковых диодов на схемах электрических принципиальных представлены на рис. 3.5. Выводы диода называются катод и анод. Катод – вывод прибора, через который ток вытекает во внешнюю цепь. Анод – вывод прибора, через который ток втекает в прибор

из внешней цепи.

Вольт-амперная характеристика, пробой и общие параметры диодов. Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к его выводам внешнего напряжения называется ВАХ диода:

, (3.1)

где – тепловой потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К; – обратный ток насыщения , сильно зависящий от температуры. Уравнение (3.9) называют теоретической, или идеализированной, ВАХ диода . В нем не учтено последовательное сопротивление потерь диода , т.е. суммарное эквивалентное активное сопротивление кристалла, омических контактов и выводов диода . С учетом этого сопротивления реальная ВАХ диода имеет вид

. (3.2)

На рис. 3.6 изображены реальная ВАХ (сплошная линия) и теоретическая ВАХ (пунктирная линия). Из-за существенного различия значений прямого и обратного токов и напряжений прямые и обратные ветви ВАХ выполнены в различном масштабе. Прямая ветвь реальной ВАХ, как следует из (3.10), сдвинута в сторону больших значений прямых напряжений при . Различие между теоретической и реальной ВАХ в области обратных напряжений обусловлено неучтенной в (3.9) и (3.10) тепловой генерацией носителей заряда в обедненном слое. С ростом обратного напряжения ширина , а значит, и объем обедненного слоя растет, что приводит к росту числа процессов термогенерации электронно-дырочных пар, которые полем обратновключенного перехода выносятся из области перехода, увеличивая обратный ток. Поэтому не остается постоянным, а медленно возрастает с ростом . Более того, при достижении обратным напряжением некоторого критического значения, называемого напряжением пробоя , наблюдается резкий рост обратного тока. Данное явление называется пробоем перехода диода (см. рис. 3.6, кривая а).

Различают два основных вида пробоя: электрический пробой и тепловой . В свою очередь электрический пробой делится на лавинный и туннельный. Лавинный пробой характерен для диодов с широкими переходами, образованными областями с невысокой концентрацией легирующей примеси (). Если длина свободного пробега носителей заряда меньше ширины перехода, то при больших значениях обратного напряжения (от 7 до 400 В) носители заряда приобретают кинетическую энергию, достаточную для развития лавинообразного процесса ионизации атомов полупроводника, что и вызывает резкий рост обратного тока при почти неизменном .

Туннельный пробой развивается в диодах с очень узкими переходами, образованными областями с высокой концентрацией легирующей примеси (). Туннельный пробой p-n-перехода обусловлен квантово-механическим туннельным эффектом , когда из-за малой толщины энергетического потенциального барьера имеется высокая вероятность прохождения зарядов сквозь него без изменения энергии. При определенном обратном напряжении происходит туннельное проникновение электронов валентной зоны p-области на свободные энергетические уровни зоны проводимости n-области.

В планарных диодах (см. рис. 3.4) электрический пробой происходит на участке перехода, выходящем на поверхность полупроводниковой структуры, так называемый поверхностный пробой . Это обусловлено наличием на поверхности n-базы диода положительного объемного заряда, который приводит к уменьшению толщины перехода вблизи поверхности и соответствующему уменьшению напряжения пробоя.

Тепловой пробой возникает вследствие перегрева электрического перехода протекающим через него обратным током при недостаточном теплоотводе. За счет термогенерации носителей в переходе возрастает обратный ток диода, и рост подводимой к диоду мощности приводит к еще большему разогреву перехода. Если температура диода превысит допустимое значение, структура перехода претерпевает необратимые изменения, и диод выходит из строя. На участке теплового пробоя (см. рис. 3.6, кривая б) уменьшается при возрастании .

На ВАХ диода существенно влияет температура окружающей среды (рис. 3.7). С ростом температуры ток возрастает по экспоненциальному закону , где DW – ширина запрещенной зоны материала полупроводника. В инженерных расчетах полагают, что ток удваивается на каждые 10 °С в германиевых диодах, а в кремниевых на каждые 7 °C.

С ростом температуры растет прямой ток диода при фиксированном напряжении или уменьшается падение напряжения на диоде при фиксированном прямом токе . Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ диода оценивают температурным коэффициентом напряжения , численно равным изменению прямого напряжения на диоде при увеличении температуры на . При расчетах для большинства диодов принимают .

Диоды характеризуются рядом параметров, которые являются общими для всех типов диодов. К ним относятся:

рабочий диапазон температур перехода ;

максимально допустимый прямой ток , при котором температура перехода достигает максимального значения ;

максимально допустимое обратное напряжение , при котором не происходит пробоя p-n-перехода, обычно ;

прямая и обратная максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде:

где – температура окружающей среды; – тепловое сопротивление перехода, характеризующее условия теплоотвода;

прямое и обратное статическое сопротивление диода (сопротивление постоянному току):

; ; (3.5)

прямое и обратное дифференциальное сопротивление (сопротивление переменному току):

; . (3.6)

Дифференциальное сопротивление диода значительно меньше статического.

Величину называют коэффициентом выпрямления (характеризует односторонний характер проводимости диода, т.к. .

Способность диода накапливать электрические заряды отражается его емкостными параметрами. Существует два механизма накопления зарядов, которые описываются двумя емкостными параметрами.

Барьерная емкость отражает наличие объемного электрического заряда ионизированных атомов примеси в p-n-переходе, который можно рассматривать как плоский конденсатор. Расстояние между обкладками этого конденсатора определяется шириной p-n-перехода . Выражение для зависимости барьерной емкости от напряжения на переходе имеет вид

, (3.7)

где – площадь поперечного сечения перехода; – величина барьерной емкости при нулевом напряжении на переходе ; – параметр, значение которого определяется профилем легирования перехода; – обратное напряжение на переходе. Величина барьерной емкости составляет десятки – сотни пикофарад, поэтому ее действие проявляется практически только при обратном включении, когда переход закрыт и протекают малые обратные токи.

Диффузионная емкость отражает накопление электрического заряда неосновных неравновесных носителей в p- и n-областях при прямом включении перехода. Величина диффузионной емкости пропорциональна прямому току перехода:

, (3.8)

где – эффективное время жизни неосновных неравновесных носителей. При прямом токе перехода 10 мА величина диффузионной емкости составляет десятки – сотни нанофарад. В случае несимметричного перехода накопление неравновесных носителей происходит преимущественно в базе диода.

Кроме общих параметров диоды характеризуются специальными параметрами , присущими только данному типу диодов.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока с частотой от 50 до 20 000 Гц в пульсирующий ток одного направления и широко используются в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. В качестве полупроводникового материала для таких диодов ранее использовали германий, в настоящее время – кремний и арсенид галлия. Принцип работы выпрямительных диодов основан на вентильном свойстве p-n-перехода. Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности. Диоды малой мощности предназначены для выпрямления токов до 300 мА, средней и большой мощности – для выпрямления токов соответственно от 300 мА до 10 А и от 10 до 1000 А. Преимущества кремниевых диодов по сравнению с германиевыми: малые обратные токи; возможность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших значениях обратных напряжений. Преимущество германиевых диодов – малое падение напряжения 0,3¼0,6 В при протекании прямого тока (по сравнению с 0,8¼1,2 В у кремниевых).

В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Барьерная емкость перехода из-за большой площади велика и ее значение достигает десятков пикофарад. Германиевые диоды могут быть использованы при температурах не более 70¼80 °С, кремниевые – до 120¼150 °С, арсенид-галлиевые – до 240¼280 °С. Другим преимуществом диодов из арсенида галлия является значительно большая подвижность носителей, что позволяет их использовать на частотах до 100…500 кГц.

Максимальное обратное напряжение маломощных низкочастотных выпрямительных диодов лежит в пределах от нескольких десятков до 1200 В. Для более высокого напряжения промышленностью выпускаются выпрямительные столбы, использующие несколько последовательно соединенных диодов в одном корпусе. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА – для кремниевых.

Мощные (силовые) диоды различаются по частотным свойствам и работают на частотах в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц и изготавливаются преимущественно из кремния.

Работа при больших прямых токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в p-n-переходе. Поэтому в установках с диодами средней и большой мощности используются охладители – радиаторы с воздушным и жидкостным охлаждением. При воздушном охлаждении тепло отводится с помощью радиатора. При этом охлаждение может быть естественным (за счет конвекции воздуха) или принудительным (с использованием обдува корпуса прибора и радиатора с помощью вентилятора). При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость (вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости).

К основным параметрам выпрямительных диодов относятся:

– максимально допустимый прямой ток ;

– прямое падение напряжения на диоде (при );

– максимально допустимое обратное напряжение ;

– обратный ток при заданном обратном напряжении (при );

– диапазон рабочих температур окружающей среды;

– коэффициент выпрямления ;

– предельная частота выпрямления, соответствующая уменьшению коэффициента выпрямления в 2 раза.

На рис. 3.8 показана схема двухполупериодного выпрямителя – типовая схема включения выпрямительных диодов. Данное название обусловлено тем, что ток через нагрузку протекает в течение обоих полупериодов входного напряжения. Схема состоит из понижающего трансформатора Т, диодного моста, в плечи которого включены четыре диода VD1 – VD4, и сглаживающего конденсатора С. Переменное напряжение подается в одну диагональ моста, а нагрузка подключена к другой. При действии положительной полуволны входного напряжения открыты диоды VD2, VD3, а при действии отрицательной полуволны – VD1, VD4. Форма входного, выходного напряжения и тока нагрузки в данной схеме показана на рис. 3.9. Конденсатор в данной схеме обеспечивает сглаживание пульсирующего напряжения на нагрузке за счет заряда от источника в течение части периода и разряда через нагрузку в течение промежутка времени, равного практически половине периода входного напряжения . Емкость конденсатора, обеспечивающая амплитуду пульсаций напряжения на нагрузке при максимальном токе нагрузки , определяется согласно выражению

. (3.9)

Максимальное значение обратного напряжения, которое прикладывается к одному диоду при действии отрицательной полуволны в данной схеме, практически равно амплитуде входного напряжения:

. (3.10)

Высокочастотные (детекторные) диоды предназначены для выпрямления электрических сигналов высокой частоты. Обозначаются и маркируются так же, как и выпрямительные низкой частоты. Используются в радиоприемной, телевизионной и другой аппаратуре (в детекторах и демодуляторах). Требование по величине и значительно ниже, чем в выпрямительных низкочастотных. В высокочастотных диодах стремятся получить минимальное значение собственной емкости, поскольку на достаточно высоких частотах реактивное сопротивление этой емкости имеет величину ниже, чем обратное сопротивление p-n-перехода диода, т.е. эффект выпрямления (детектирования) резко снижается. Для уменьшения площади p-n-перехода, а следовательно, и его емкости используют точечную конструкцию диода. Барьерная емкость точечных диодов не превышает 1 пФ, а рабочая частота составляет 150 МГц и более.

Емкость диода слагается из емкости корпуса и емкости p-n-перехода (). Уменьшение емкости корпуса достигается применением корпусов специальной конструкции. С этой же целью высокочастотные диоды часто выполняются вообще без корпуса, в этом случае они используются как составная часть гибридной интегральной схемы или модуля, который размещается в герметичном корпусе.

Прямая ветвь ВАХ точечного диода практически не отличается от реальной ВАХ p-n-перехода, а обратная ветвь не имеет ярко выраженного участка насыщения, что объясняется процессами генерации носителей заряда в неоднородном поле точечного контакта, вызванной лавинным умножением.

Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных и цифровых устройствах. Обозначаются так же, как и выпрямительные, имеют малую длительность переходных процессов. От выпрямительных диодов отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и характеризуются рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30¼40 мВт).

При воздействии на диод коротких по времени прямоугольных импульсов напряжения или тока форма тока через диод или напряжения на нем будет отличаться от прямоугольной, что обусловлено инерционностью процессов накопления и рассасывания носителей в базе и перезарядом его барьерной емкости. При малых уровнях напряжения и тока длительность переходных процессов определяется барьерной емкостью, а при больших – диффузионной.

На рис. 3.10 показаны переходные процессы в диоде при высоких уровнях напряжения и тока. При подаче на диод прямого напряжения ток устанавливается не сразу, так как с течением времени происходит накопление инжектированных неосновных носителей в базе и снижение ее сопротивления. Передний фронт импульса тока получается искаженным (см. рис. 3.10, а). Однако данный процесс оказывается гораздо короче, чем процессы при переключении диода с прямого напряжения на обратное, которые характеризуются временем обратного восстановления . При этом первоначально резко увеличивается величина обратного тока до вследствие интенсивного рассасывания неравновесных носителей базы с последующим его экспоненциальным уменьшением до стационарного значения, равного обратному току насыщения в (3.9). При пропускании импульса прямого тока через диод в первый момент времени наблюдается выброс напряжения (см. рис. 3.10, б), что вызвано повышенным падением напряжения, пока инжектированные носители, накопившись в базе, не понизят ее сопротивление. Этот процесс описывается параметром диода, который называется время установления прямого напряжения . После выключения прямого тока на диоде остается некоторое напряжение , величина которого зависит от количества инжектированных носителей. Остаточное напряжение уменьшается по мере рекомбинации носителей.

Для уменьшения необходимо уменьшить объем полупроводниковой структуры и увеличить скорость рекомбинации неосновных носителей, что достигается технологией изготовления импульсных диодов: введением в исходный материал нейтральных примесей, чаще всего золота (Au), для создания так называемых «ловушек» – центров рекомбинации.

Импульсные диоды характеризуются рядом специальных параметров:

– общая емкость диода (десятые доли – единицы пикофарад);

– максимальное импульсное прямое напряжение ;

– максимально допустимый импульсный ток ;

– время установления прямого напряжения – интервал времени между началом протекания прямого тока через диод и моментом, когда прямое напряжение на диоде достигает 1,2 установившегося значения (доли наносекунд – доли микросекунд);

– время обратного восстановления диода – время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения (доли наносекунд – доли микросекунд).

Для уменьшения применяют специальные разновидности импульсных диодов: диоды с барьером Шотки (ДБШ), диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В ДБШ переход выполнен на основе выпрямляющего контакта металл-полупроводник, в котором работа выхода из металла выше, чем работа выхода из полупроводника. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезаряда барьерной емкости. Инжекция в таких диодах является односторонней, инжектируют электроны из полупроводника в металл, где они являются единственным типом носителей. По этой причине отсутствует накопление неосновных носителей в базе. Конструктивно ДБШ выполняются в виде пластины низкоомного кремния n-типа, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Инерционность ДБШ в основном определяется барьерной емкостью выпрямляющего контакта, которая может быть меньше 0,01 пФ.

В ДНЗ база изготавливается неравномерно легированной по длине. Концентрация примеси в базе по мере приближения к p-n-переходу уменьшается, поэтому неравномерной оказывается и концентрация основных носителей базы – электронов, если база имеет проводимость n-типа. За счет этого электроны диффундируют в сторону p-n-перехода, оставляя в глубине базы избыточный положительный заряд атомов донорной примеси, а вблизи перехода избыточный заряд электронов. Между этими зарядами возникает электрическое поле, направленное в сторону перехода. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу при прямом включении диода, концентрируются (накапливаются) в базе у границы перехода. При переключении диода с прямого на обратное направление эти дырки под действием поля внутри перехода быстро уходят из базы в эмиттер, и время восстановления обратного сопротивления уменьшается. Для изготовления таких диодов применяется меза- и эпитаксиальная технология.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором сохраняется с определенной точностью при протекании через него тока в заданном диапазоне, и предназначенный для стабилизации напряжения. Принцип действия стабилитронов основан на использовании электрического вида пробоя p-n-перехода при обратном смещении. В качестве стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды.