19305

Полупроводниковый диод. Выпрямительные и импульсные диоды

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Содержание лекции Общее устройство классификация и системы обозначений диодов. Полупроводниковыми диодами называют электро-преобразовательные полупроводниковые приборы с одним электрическим переходом имеющие два вывода. Основу полупроводникового...

Русский

2015-01-14

248.5 KB

18 чел.

Содержание лекции

  1.  Общее устройство, классификация и системы обозначений диодов.

Полупроводниковыми диодами называют электропреобразовательные полупроводниковые приборы с одним электрическим переходом, имеющие два вывода.

Основу полупроводникового диода составляет кристалл полупроводника, в котором одним из технологических методов выполнен электрический переход. К двум полупроводниковым областям, образующим переход, привариваются или припаиваются выводы из металлической проволоки, и вся система заключается в стеклянный, металлический или керамический корпус или же опрессовывается специальной смолой. На рис. 1 для примера показано устройство сплавного кремниевого диода в стеклянном корпусе и диффузионного бескорпусного диода.

Одна из полупроводниковых областей, образующих p-n переход, имеет более высокую концентрацию примесей и образует эмиттер, а вторая полупроводниковая область – базу.

Большинство полупроводниковых диодов выполняется на основе несимметричных электронно-дырочных переходов как типа n-p, так и типа p-n. Используются в полупроводниковых диодах также переходы металл-полупроводник, переходы типа p-i и n-i  и другие.

Различают плоскостные и точечные диоды. Диоды первого типа получают обычно сплавным или диффузионным методом. В точечных диодах площадь перехода значительно меньше, чем в плоскостных. Диоды этого типа изготавливают методом вплавления тонкой металлической проволоки в базу диода с одновременной присадкой легирующего состава.

Для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей практически во всех полупроводниковых приборах используются омические контакты. Для них характерно отсутствие запорного слоя (следовательно, двусторонняя проводимость), малое сопротивление и близкая к линейной вольтамперная характеристика. Изготовляют их из серебра, золота, свинца, олова и их сплавов.

Группа полупроводниковых диодов весьма многочисленна. В качестве классификационных признаков используют:

1) тип исходного материала:

· германиевые

· кремниевые

· арсенид-галлиевые и др.

2) назначение прибора:

  •  выпрямительные
  •  детекторные
  •  преобразовательные
  •  переключательные
  •  стабилитроны
  •  параметрические

Кремниевые диоды имеют ряд преимуществ по сравнению с германиевыми:

- физ. свойства кремния позволяют получить p-n переход с большей величиной обратного напряжения (Uобр Si - до 1500В, UобрGe – до 400В)

- диапазон рабочих температур у кремниевых диодов -60С …+150С, у германиевых - -60С …+85С.

Однако, прямое падение напряжения у кремниевых диодов выше (1,5 … 2В), чем у германиевых (до 1В), что связано с большим их сопротивлением в прямом направлении в 1,5…2 раза.

3) основные физические процессы

· лавинно-пролетные

· туннельные

· фотодиоды

· светодиоды

4) частотный диапазон использования

· низкочастотные

· среднечастотные

· высокочастотные

· сверхвысокочастотные.

Система обозначений современных полупроводниковых диодов регламентируется  ГОСТ-10862 и отраслевым стандартом ОСТ 11 336.919-81 из 5 элементов.

Первый элемент – буква или цифра, обозначающая исходный материал, из которого изготовлен прибор:

1 или Г – германий или его соединения;

2 или К – кремний или его соединения;

3 или А – соединения галлия.

Цифра используется для обозначения приборов, применяемых в устройствах специального назначения.

Второй элемент – буква, определяющая класс прибора:

Д – выпрямительные, универсальные, импульсные, магнито- и термодиоды;

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

А - сверхвысокочастотные диоды;

И – туннельные и обращенные диоды;

С – стабилитроны и стабисторы;

К – стабилизаторы тока;

Г – генераторы шума;

Б - приборы с объемным эффектом (диоды Ганна);

Л – светоизлучающие диоды.

Третий элемент – цифра, обозначающая основной параметр, назначение или принцип действия прибора:

Класс диодов

Обозначение

Выпрямительные:

малой мощности (среднее значение прямого тока не более 0,3 А)

средней мощности (среднее значение прямого тока от 0,3 А до 10 А)

Универсальные (рабочая частота до 1000 МГц)

Импульсные:

время восстановления обратного сопротивления более 150 нс

время восстановления обратного сопротивления более 30, но не более 150 нс

время восстановления обратного сопротивления более 5, но не более 30 нс

время восстановления обратного сопротивления более 1, но не более 5 нс

время восстановления обратного сопротивления менее 1 нс

Выпрямительные столбы и блоки:

столбы малой мощности (среднее значение прямого тока не более 0,3 А)

столбы средней мощности (среднее значение прямого тока более 0,3, но не более 10А)

блоки малой мощности (среднее значение прямого тока не более 0,3 А)

блоки средней мощности (среднее значение прямого тока более 0,3, но не более 10А)

Варикапы:

подстроечные

умножительные (варакторы)

Туннельные и туннельные обращенные:

усилительные

генераторные

переключательные

обращенные

Излучающие:

инфракрасного диапазона

видимого диапазона (светодиоды):

с яркостью до 500 кд/м2

с яркостью более 500 кд/м2

Сверхвысокочастотные:

смесительные

детекторные

параметрические

регулирующие (переключательные, ограничительные и модуляторные)

умножительные

генераторные

1

2

4

5

6

7

8

9

1

2

3

4

1

2

1

2

3

4

1

3

4

1

2

4

5

6

7

В обозначениях стабилитронов и стабисторов третий элемент определяет индекс мощности:

1 –  для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с ном. напряжением стабилизации до 10В;

2  – для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с ном. напряжением стабилизации от 10 до 100В;

3  – для стабилитронов мощностью более 0,3 Вт с ном. напряжением стабилизации более 100В;

4  – для стабилитронов мощностью от 0,3 Вт до 5 Вт с ном. напряжением стабилизации до 10В;

5  – для стабилитронов мощностью от 0,3 Вт до 5 Вт с ном. напряжением стабилизации от 10 до 100В;

6  – для стабилитронов мощностью Рис. 2. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода:

1 – при повышенной температуре; 2 – при нормальной температуре; 3 – при пониженной температуре. от 0,3 Вт до 5 Вт с ном. напряжением стабилизации более 100В;

7  – для стабилитронов мощностью от 5 Вт до 10 Вт с ном. напряжением стабилизации до 10В;

8  – для стабилитронов мощностью от  5 Вт до 10 Вт с ном. напряжением стабилизации от 10 до 100В;

9  – для стабилитронов мощностью от 5 Вт до 10 Вт с ном. напряжением стабилизации более 100В;

Четвертый элемент – двузначное (иногда трехзначное) число, обозначающее порядковый номер разработки.

Пятый элемент – буква (от А до Я), условно определяет классификацию по параметрам приборов, изготовленных по единой технологии.

Примеры обозначений полупроводниковых диодов:

2.Характеристики и основные параметры диодов.

Основной характеристикой полупроводникового диода является вольтамперная, представляющая собой зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к нему напряжения. 

Вольтамперная характеристика диода имеет две ветви. Ветвь, расположенная в первом квадранте, соответствует прямому (пропускному) включению диода, а расположенная в третьем квадранте – обратному (см. рис 2).

По в.а.х. можно оценить основные возможности диода:

Рис.2. Вольтамперная характеристика

выпрямительного диода:

1 – при повышенной температуре;

2 – при нормальной температуре;

3 – при пониженной температуре.

как изменяются прямой и обратный токи от приложенного напряжения;

дифференциальное и статическое сопротивление диода;

зависимость тока через диод от температуры и т.д.

Чем круче и ближе к вертикальной оси прямая ветвь и ближе к горизонтальной  обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно большом обратном напряжении у диода наступает пробой, т.е. резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного.

Токи диодов зависят от температуры (см. рис. 2). Если через диод протекает постоянный ток, то при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2 мВ/С. При увеличении температуры обратный ток увеличивается в 2 раза у германиевых и в 2,5 у кремниевых диодов на каждые 10С. Пробивное напряжение при повышении температуры понижается.

Одним из важнейших параметров диода является дифференциальное сопротивление (сопротивление диода переменному току)

(1)

Оно определяется по в.а.х. Если сопротивление определяется на прямолинейном участке характеристики или когда небольшая погрешность не имеет существенного значения, то можно от бесконечно малых перейти к конечным приращениям

.

(2)

Статическое сопротивление  диода постоянному току также определяется по вольтамперной характеристике. В справочниках обычно приводят величины Rпр и Rобр,

       

(3)

Иногда выпрямительные свойства полупроводниковых приборов оценивают с помощью коэффициента выпрямления

  при U =  1В.

(4)

Важным параметром является общая емкость диода, равная сумме барьерной и диффузионной емкости  p-n перехода и емкости корпуса

.

(5)

Диффузионная емкость связана с инерционным накоплением избыточных зарядов. С увеличением частоты Сдиф уменьшается, так как уменьшается накапливаемый заряд, не успевающий следовать за изменением напряжения. Барьерная емкость от частоты не зависит. В справочниках обычно указывается значение барьерной емкости диода при определенном значении обратного напряжения. В зависимости от площади p-n перехода и его толщины барьерная емкость полупроводниковых диодов имеет значения от десятых долей до сотен пикофарад.

Обратное максимально допустимое напряжение

Uобр.макс 0,8Uпроб,

(6)

где Uпроб – напряжение теплового или электрического пробоя (от десятков до сотен вольт).

Максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом, Вт,

Pмакс = (tп.макс tо)/(Rtп.к Rtк.о),

(7)

где  

tп.макс – максимально допустимая температура p-n перехода (указывается в справочниках), С;

tо – температура окружающей среды, С;

Rtп.к и Rtк.о – тепловые параметры, определяемые экспериментально и называемые тепловыми сопротивлениями.

С повышением температуры окружающей среды максимально допустимая мощность диода уменьшается, т.к. при этом ухудшаются условия охлаждения p-n перехода.

Кроме перечисленных параметров часто используются: Iпр – прямой ток; Uпр – прямое падение напряжения на диоде; Iпр.макс –максимально допустимый прямой ток; Iобр – обратный ток, а также группа параметров, характеризующих механическую прочность прибора и климатические условия его эксплуатации.

3. Особенности диодов различного назначения

Выпрямительные и импульсные диоды. В этих диодах используется основное свойство p-n перехода – его односторонняя проводимость или нелинейность.

Выпрямительные низкочастотные (силовые) диоды предназначаются в основном для выпрямления токов промышленной (f = 50 Гц) или повышенной (f = 400…800 Гц) частот, но могут использоваться и для других целей. Это плоскостные диоды с относительно небольшой площадью p-n перехода.

Кроме общих параметров, рассмотренных ранее, выпрямительные диоды дополнительно характеризуются электрическими величинами, определяющими их работу в выпрямителях:

Uпр.макс – максимально допустимое значение прямого напряжения;

Iпр.макс –максимально допустимый прямой ток;

Iобр – обратный ток при некотором значении обратного напряжения.

Uобр.макс – максимально допустимое обратное напряжение.

Для получения большого значения обратного допустимого напряжения (несколько сотен вольт) в базу силовых диодов вводят малую дозу примеси, что приводит к увеличению толщины p-n перехода и, следовательно, к увеличению пробивного напряжению. Однако эта мера приводит к уменьшению прямого допустимого тока из-за относительно большого сопротивления базы. Вопрос обычно решают путем компромисса.

Выпрямительные высокочастотные диоды используются для выпрямления токов высокой частоты, детектирования радиосигналов, а также других нелинейных преобразований.

Основным параметром высокочастотных диодов является его частотный диапазон, в пределах которого диод может эффективно выполнять свои функции. Поскольку частотный диапазон диода зависит от постоянной времени базы С0rб, для работы на высокой частоте используют обычно точечные или микросплавные диоды с базой, выполненной из низкоомного (сильнолегированного) полупроводника. При этом емкость p-n перехода не превышает нескольких единиц пикофарад, а диапазон рабочих частот простирается до 200 МГц.

Импульсные диоды предназначены для использования в качестве ключевых элементов в импульсных схемах.

Дополнительными параметрами импульсных диодов являются параметры, характеризующие переходные процессы в диоде при скачках тока и напряжения. К ним относятся:

уст – интервал времени от начала скачка тока до момента, когда прямое напряжение на диоде уменьшится до уровня 1,2 от установившегося значения Uд.уст, называемый временем установления прямого напряжения;

вос – время восстановления обратного сопротивления диода;

Для импульсных диодов иногда также указывают максимальное импульсное прямое напряжение Uпр.и.макс и максимальный импульсный ток Iпр.и.макс, а также их отношение, называемое импульсным сопротивлением диода.

4. Виды и причины пробоя p-n перехода

При значительном увеличении обратного напряжения на p-n переходе наблюдается резкий рост обратного тока. Это явление называют пробоем электронно-дырочного перехода. Пробой перехода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в запирающем слое, либо в результате разогрева перехода при протекании электрического тока большой величины.

Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода.

Электрический пробой является обратимым, т.е. при прибое в переходе не возникает необратимых разрушений структуры полупроводника.

Электрический пробой может быть лавинным и туннельным.

Туннельный пробой наблюдается в очень тонких p-n переходах при напряжениях пробоя обычно не превышающих 10 В. В тонких переходах возникает очень большая напряженность электрического поля, увеличивающая вероятность туннельных переходов электронов через потенциальный барьер без изменения их энергии, что и представляет существо этого вида пробоя.

Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей в p-n переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями зарядов. Неосновные носители заряда, поступающие в p-n переход при действии Uобр, ускоряются полем и, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки, выбивают из них валентные электроны. Образуются дополнительные пары – электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, также выбивают валентные электроны, создавая новые пары электрон-дырка. Этот процесс носит лавинный характер. При этом значительно увеличивается обратный ток. Лавинный пробой возникает в широких p-n переходах, когда под действием сильного суммарного электрического поля носители заряда, встречаясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между столкновениями приобретают достаточную энергию для ионизации. Uобр для лавинного пробоя составляет десятки… сотни вольт.

Тепловой пробой  p-n перехода возникает вследствие потери устойчивости теплового  режима. С увеличением обратного напряжения и тока увеличивается тепловая мощность, выделяющаяся в p-n переходе и его температура. В свою очередь увеличение температуры приводит к росту обратного тока и рассеиваемой мощности. При определенной мощности, превышающей максимально допустимую, процесс приобретает лавинный характер и p-n переход разрушается (сгорает).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10249. Основная сущность и воспроизводство основных фондов в таможенном деле 99 KB
  Основная сущность и воспроизводство основных фондов в таможенном деле. Для выполнения своих функций фискальной протекционистской оказания услуг участникам ВЭД таможенные организации применяют средства труда и предметы труда. Характер участия средств и предметов...
10250. Капитальное строительство в таможенном деле 71.5 KB
  Капитальное строительство в таможенном деле. Обновление основных фондов в таможенном деле происходит как путем замены устаревшего оборудования на новое без капитального строительства так и путем капитального строительства. Ввод в действие основных фондов осущ...
10251. Проблемы определения оптимальных размеров, специализации и технологических таможенных организаций 75 KB
  Проблемы определения оптимальных размеров специализации и технологических таможенных организаций. Проблема определения размера таможенных организаций тесно связана с процессом сосредоточения таможенной деятельности в таможенных организациях и их укрупнения. Т
10252. Оптимальное размещение таможенных организаций 36 KB
  Согласно положению о ГТК РФ Комитет обязан обеспечить в пределах своей компетенции единство таможенной территории России имеет право создавать реорганизовывать и ликвидировать региональные таможенные управления и таможни таможенные лаборатории вычислительные цен
10253. Планирование работ, услуг и развития таможенного дела 137 KB
  Планирование работ услуг и развития таможенного дела Планирование является важнейшим инструментом любого хозяйственного механизма. Планирование таможенного дела включает несколько направлений важнейшим из которых является планирование таможенных работ и услу
10254. Экономические задачи таможенных органов по осуществлению валютного контроля 59.5 KB
  Экономические задачи таможенных органов по осуществлению валютного контроля Расширение внешнеторговых контактов либерализация внешнеэкономических связей упразднение государственной валютной монополии привели к необходимости осуществления контроля за поступл
10255. Различные методологических подходов к оценке экономических результатов деятельности таможенных органов 115 KB
  Различные методологических подходов к оценке экономических результатов деятельности таможенных органов. В данной теме поставлена задача исследовать накопленный опыт анализа и оценки экономических результатов деятельности таможенных органов. Следует сказать...
10256. Восточная философия XIX–XX веков 206.5 KB
  Восточная философия XIXXX веков Б. Джинджолия Философское знание и религиозный опыт Восточная философия важнейшая составляющая мировой философии обладающая значительным историческим содержательным и идейным своеобразием. Ее современный этап конец 19-го 20 в...
10257. Характерные черты русской философии. Лосев А.Ф. (1893-1988) 18.01 KB
  Характерные черты русской философии. Лосев А.Ф. 1893-1988 Если мы возьмемся кратко сформулировать общие формальные особенности русской философии то можно выделить такие пункты: 1. Русской философии в отличие от европейской и более всего немецкой философии чуждо стре...