9944

Устройство и принцип действия полупроводниковых диодов. Разновидности и особенности полупроводниковых диодов

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Занятие 1. Устройство и принцип действия полупроводниковых диодов Учебные, методические и воспитательные цели: 1.Изучить назначение, устройство, характеристики, параметры выпрямительных, высокочастотных, импульсных и туннельных диодов, особенности...

Русский

2013-03-19

198 KB

306 чел.

Занятие 1. Устройство и принцип действия

полупроводниковых диодов

Учебные, методические и воспитательные цели:

1.Изучить назначение, устройство, характеристики, параметры выпрямительных, высокочастотных, импульсных и туннельных диодов, особенности  их применения.

2. Развивать методические навыки по применению полупроводниковых диодов.

3. Формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

мин

1.

2.

3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Назначение, устройство, характеристики, параметры выпрямительных и высокочастотных диодов.

2. Назначение, устройство, характеристики, параметры импульсных и туннельных диодов.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

80

40

40

5

Материальное обеспечение:

1. Комплект слайдов.

2. Набор диодов.

3. ПЭВМ.

4. Блоки аппаратуры.

Литература:

1. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учеб. пособие. – СПб.: Питер, 2004. – с. 190 – 198.

2. В.А.Батушев. "Электронные элементы военной техники связи", с.106-113, 118-122.


ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких,  как асимметрия вольтамперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д. В зависимости от вида используемого свойства, т.е. от назначения, различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные (силовые) диоды, высокочастотные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды. Каждый тип диода содержит ряд типономиналов, регламентируемых соответствующим ГОСТом.

Рассмотрим основные функциональные типы  полупроводниковых диодов, а также принцип их действия, характеристики, параметры, особенности применения.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Назначение, устройство, характеристики, параметры выпрямительных и высокочастотных диодов

Выпрямительные диоды – это полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока низкой частоты (т.е. для преобразования переменного тока в постоянный). Они являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов.

Простейшая схема выпрямителя на полупроводниковом диоде  показана на рис.1.

Переменное напряжение сети, преобразованное с помощью трансформатора до необходимой величины, подается через диод на конденсатор большой емкости, выполняющий функции фильтра – накопителя заряда. Периодически напряжение трансформатора становится прямым, тогда через диод проходят импульсы тока, подзаряжающие конденсатор. Остальную часть периода конденсатор разряжается через нагрузку, включенную параллельно ему (рис. 2).

Так как емкость конденсатора выбирают достаточно большой, то напряжение на нем изменяется мало, напряжение нагрузки оказывается практически постоянным и через нее проходит почти постоянный ток

.

Напряжение на диоде представляет собой алгебраическую сумму постоянного напряжения нагрузки и переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора. Максимальное прямое напряжение диода   Uпр = UтUвыпр, а максимальное обратное напряжение диода Uобр = Uт + Uвыпр,  которое в режиме холостого хода (R = ), равно 2Uт.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток – Iпр макс;

– максимально допустимое обратное напряжение – Uобр макс;

– максимальная рассеиваемая мощность – Рмакс.

В выпрямительных диодах электронно-дырочный переход имеет большую площадь, обеспечивающую получение выпрямленных токов требуемой величины. При этом площадь р-n-перехода рассчитывают,  исходя из допускаемой плотности прямого тока, которая для германиевых диодов равна 100 А/см2, а для кремниевых – 200 А/см2. В настоящее время наиболее распространены выпрямительные диоды сплавного типа. Для изготовления выпрямительных диодов широко используют кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях выгоднее германиевые диоды, так как они имеют меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые.

Мощные диоды с целью отвода тепла монтируют на специальных радиаторах, изготовленных из металла с хорошей теплопроводностью; иногда используют принудительное охлаждение (воздушное или жидкостное).

Отечественной промышленностью выпускается широкая номенклатура германиевых и кремниевых выпрямительных диодов на токи до 1000А и обратные напряжения германиевых диодов до 400В, кремниевых диодов до 1600 В.

При необходимости выпрямления больших напряжений несколько полупроводниковых диодов (до десятков) соединяют последовательно. Однако допустимое обратное  напряжение цепочки при этом не равно сумме допустимых напряжений отдельных диодов. Разброс величины обратного сопротивления приводит к неравномерному распределению обратного напряжения между диодами цепочки, как следствие, к пробою друг за другом всех диодов цепочки.

Для устранения этого вредного явления прибегают к шунтированию каждого диода цепочки высокоомным резистором. Сопротивление резисторов выбирают так, чтобы ток, протекающий через цепочку резисторов, был в несколько раз больше обратного тока в цепочке диодов.

Параллельно резисторам подключают конденсаторы, емкость которых в несколько раз больше емкости диода. Однако такое шунтирование обязательно только для германиевых диодов. У кремниевых диодов характеристика пробоя не имеет падающего участка, и равномерное распределение обратного напряжения достигается автоматически.

Для получения большого выпрямленного тока можно применять параллельное включение диодов. Для выравнивания токов через диоды последовательно с каждым диодом включается добавочное сопротивление. Для удовлетворительного выравнивания токов величина добавочного сопротивления должна быть немного больше прямого сопротивления диода.

На основе изложенных методов созданы мощные высоковольтные выпрямительные блоки, обеспечивающие получение мощности в нагрузке до    100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до 1000 А.

Промышленностью выпускаются и маломощные выпрямительные элементы, представляющие собой цепочку последовательно соединенных полупроводниковых диодов, размещенных в едином корпусе: их называют выпрямительными столбами. Выпускаются  также выпрямительные блоки,  представляющие собой конструктивно завершенное устройство, состоящее из выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме, например мостовой.

Маркировка диодов состоит из нескольких элементов.

Рассмотрим ее на конкретном примере – КД 202Р:

–К(или 2) – кремниевый (1 или Г –германиевый)

–Д2 – диоды выпрямительные с выпрямленным током от 0,3 до 10А (Д1 – с выпрямленным током до 0,3А)

–02 – порядковый номер разработки

–Р – подгруппа по параметрам.

Высокочастотные диоды предназначены для выпрямления токов высокой частоты (для обработки высокочастотных сигналов).

Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивлениями электронно-дырочного перехода и прилегающих р- и n-областей полупроводника, то при работе диода на высоких частотах большую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного сопротивления выпрямительный эффект с ростом частоты снижается.

Для расширения частотного диапазона диода необходимо уменьшать емкость диода и сопротивление прилегающих областей, особенно базы.

Для снижения емкости р-n-перехода следует уменьшить его площадь. Для этого часто применяют точечную конструкцию. Монокристалл германия или кремния n-типа является базой диода. К базе прижата вольфрамовая игла, имеющая диаметр острия не более 20 – 30 мм. После локального разогрева (за счет пропускания мощного кратковременного импульса тока) приконтактной области, приводящего к частичному расплавлению кристалла с нанесенной примесью и конца иглы, под ней, после резкого охлаждения, образуется небольшая по объему р-область, т.е. возникает р-n-переход. Благодаря малой площади контакта обеспечивается получение малой емкости перехода (десятые доли пикофарады).

Основными параметрами высокочастотных диодов являются:

– максимально-допустимый прямой ток – Iпр макс;

– максимально-допустимое  обратное напряжение – Uобр макс;

– проходная емкость С0;

– предельная частота fпред.

Для точечных диодов величина максимального прямого тока десятки миллиампер, обратного напряжения – единицы – десятки вольт, емкости – десятые доли пикофарад, предельная частота до 600 МГц.

В СВЧ-диодах обычно используют точечный контакт, осуществляемый простым прижимом к поверхности полупроводника острия металлической контактной пружины. Острие имеет небольшой радиус точечного контакта (2 – 3 мкм), что обеспечивает получение незначительной емкости.

Особенностью вольт-амперной характеристики точечных диодов (рис. 3) является отсутствие горизонтального участка на обратной ветви и плавный переход в режим пробоя, что вызывается неоднородностью структуры диода. Для точечных диодов характерен большой разброс по обратному току и прямой проводимости. Параметры подвержены заметному изменению в процессе хранения и эксплуатации. Для частичной стабилизации диоды в процессе изготовления подвергаются искусственному старению.

Лучшей стабильностью параметров отличаются высокочастотные диоды, выполненные по микросплавной технологии, но емкость перехода у них больше и предельные частоты ниже, чем у точечных диодов.

Таким образом, выпрямительные и высокочастотные диоды предназначены для выпрямления переменных токов, но выпрямительные работают на низких частотах, а высокочастотные на высоких частотах, где процесс выпрямления тока, как правило, называют обработкой высокочастотного сигнала.

2. Назначение, устройство,  характеристики, параметры

импульсных и туннельных диодов

Импульсные диоды широко используются в качестве ключевого элемента, имеющего два состояния – открытое (сопротивление диода мало) и закрытое (сопротивление диода велико). Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности малым, так как этим определяется быстродействие аппаратуры.

Рассмотрим процессы в диоде при переключении (рис. 4).

На рис.5 показаны временные диаграммы тока и напряжения на диоде при переключении. На протяжении времени t1, предшествующего переключению, через диод проходит импульс прямого тока I1.

При переключении диода на обратное напряжение его сопротивление вначале оказывается небольшим вследствие того, что база насыщена зарядами, накопленными во время прохождения прямого тока. Поэтому обратный ток I2, проходящий через диод, имеет вначале большую величину.

С течением времени накопленный заряд частично выводится из базы током I2, а частично исчезает вследствие рекомбинации, поэтому переход восстанавливает высокое обратное сопротивление, обратный ток диода падает до установившегося значения Iобр.

Изменение концентрации накопленного заряда в базе диода в режиме переключения показано на рис.6. К моменту окончания прямого импульса в базе существует установившееся распределение концентрации (кривая t=0). Когда возникает обратный ток I2, кривая t1 распределения концентрации у перехода получает обратный наклон. Создается диффузионный ток дырок из базы в переход. Одновременно из базы во внешнюю цепь в таком же количестве выводятся электроны, чем сохраняется нейтральность базы. Неравновесная концентрация неосновных носителей заряда уменьшается как за счет рассмотренного процесса, так и вследствие рекомбинации. Градиент концентрации носителей заряда у перехода и ток остаются при этом постоянными до тех пор, пока концентрация дырок у перехода не спадает до нуля (t=t2). Далее градиент концентрации начинает уменьшаться, и обратный ток достигает величины Iобр.

Напряжение на диоде меняется следующим образом. В первый момент после включения прямого тока на диоде наблюдается всплеск напряжения. Это объясняется тем, что из-за ограниченной скорости диффузии носителей заряда база диода сразу после включения еще не насыщена неравновесными носителями и ее сопротивление повышено. По мере накопления носителей заряда сопротивление базы падает, и напряжение снижается до величины Uпр.

После переключения диода напряжение на нем в течение первой фазы рассасывания t2 остается положительным за счет неравновесного заряда, медленно убывая до нуля. Затем напряжение диода, изменив полярность, нарастает постепенно до значения напряжения источника.

Длительность переключения диода с прямого направления на обратное (t2+t3) зависит от времени жизни носителей заряда в базе, а также от соотношения между прямым и обратным токами.

Быстродействие диода как ключа определяют два параметра – время установления прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления.

Время установления прямого напряжения – это интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до момента достижения заданного значения прямого напряжения – обычно 1,1Uпр.

Время восстановления обратного сопротивления – это интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного значения (0.1 – 0,01 Iпр). По времени восстановления переключающие диоды  подразделяются  на три группы:

– высокого быстродействия (tвос < 10 нс);

– среднего быстродействия (10 нс < tвос <100 нс);

– низкого быстродействия (tвос > 100 нс).

Сплавные диоды характеризуются низким быстродействием (tвос > 0,5мкс). Точечные диоды имеют tвос< 0.1мкс, однако у них мал прямой ток (20 – 50мА) и невелико обратное напряжение (не более 20 В).  Значительно большей скоростью переключения, большей величиной прямого тока, стабильностью и малым их разбросом отличаются меза-диоды. У них tвос =10 – 50 нс при прямом токе до 500 мА и обратном напряжении до 100 В (рис. 7).

Для переключения может быть использован участок лавинного пробоя диода на обратной ветви его вольтамперной характеристики (tвос = 0.01 нс). Эффективным типом импульсных диодов являются металлополупроводниковые диоды (диоды Шоттки).

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, у которого на прямой ветви вольтамперной характеристики имеется падающий участок, обладающий отрицательной дифференциальной проводимостью.

Вырожденными являются полупроводники с высокой концентрацией примеси, порядка 1019 – 1020 см3 (в обычных диодах концентрация примесей не превышает 1017 см3). Такие p-n структуры обладают рядом особенностей:

– толщина p-n-перехода очень мала (около 10 мкм, что на два порядка меньше, чем в обычных диодах);

– примесные уровни образуют сплошные зоны, которые примыкают к зоне проводимости в п-области и к валентной зоне в р-области. Уровень Ферми при этом располагается в разрешенных зонах.

Следствием является наличие туннельного эффекта – прохождение потенциального барьера р-п-перехода частицей (электроном) в случае, если с другой стороны этого барьера есть такой же свободный энергетический уровень, какой частица занимает перед барьером. Туннельный переход совершается электронами без затраты энергии. Характеристика туннельного диода имеет следующий вид (рис. 8).

Основные параметры туннельного диода:

– пиковый ток Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ. Его величина может достигать сотен мА;

– ток впадины – Iв – прямой ток в точке минимума ВАХ;

– отношение токов Iп /Iв. Для германиевых диодов Iп /Iв=3 – 6, для арсенид-галиевых Iп /Iв = 10;

– напряжение пика – Uп. Для германиевых диодов Uп= 40 – 60 мВ, для арсенид-галиевых Uп= 100 – 150 мВ;

– напряжение впадины Uв. Для германиевых диодов Uв=250 – 350 мВ, для арсенид-галиевых Uв = 400-500 мВ;

– напряжение раствора Uрр – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому;

– отрицательная дифференциальная проводимость в центре падающего участка может достигать сотен миллиампер на вольт.

Наличие отрицательной проводимости у туннельного диода позволяет использовать его для генерирования и усиления колебаний, преобразования и переключения. Так как ток в диоде создается основными носителями, прохождение которых не связано с накоплением неравновесных зарядов, прибор обладает чрезвычайно малой инерционностью, что позволяет работать на высоких частотах.

Таким образом, импульсные диоды должны быстро переключаться из открытого состояния в закрытое и наоборот. Поэтому они должны обладать малой собственной емкостью, не накапливать заряд в базе (или он должен быстро выводиться). Этими же свойствами обладают и туннельные диоды, которые наряду с этим потребляют малую мощность, устойчивы к радиационному излучению, имеют малые габариты и массу.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время продолжается совершенствование технологии изготовления диодов с целью дальнейшего улучшения их параметров. Кроме рассмотренных диодов находят широкое применение и другие типы диодов, которые будут рассмотрены на следующей лекции.

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 193–196.

Старший преподаватель кафедры N 9

доцент        п/п                Г.Подлеский

Рецензент:

                                       доцент

                  п/п                    Б.Степанов


Занятие  2. Разновидности и особенности  полупроводниковых

диодов

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить назначение, устройство, характеристики и параметры стабилитронов, варикапов, диодов Шоттки и светодиодов, особенности их применения.

2. Развивать методические навыки по применению полупроводниковых диодов.

3. Формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

мин

1.

2.

3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Назначение, устройство, характеристики, параметры стабилитронов и диодов Шоттки.

2. Назначение, устройство, характеристики, параметры варикапов и светодиодов.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

80

40

40

5

Материальное обеспечение:

1. Комплект слайдов.

2. Набор диодов.

3. ПЭВМ.

4. Блоки аппаратуры.

Литература:

1. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учеб. пособие. – СПб.: Питер, 2004. – с. 199 – 204.

2. В.А.Батушев. "Электронные элементы военной техники связи", 100 –101, 104 – 106, 113 – 117.


ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на электронно-дырочном переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое, при этом величина обратного тока изменяется значительно.

В основе принципа действия варикапа используется зависимость барьерной емкости электронно-дырочного перехода от величины внешнего обратного напряжения.

В основе принципа действия диодов Шоттки лежит выпрямляющий контакт металл-полупроводник, а в основе принципа действия светодиодов – излучение света p-n-переходом.

Указанные свойства электронно-дырочных переходов были рассмотрены в курсе физических основ электроники. В настоящей лекции рассмотрим использование этих свойств в конкретных типах полупроводниковых диодов.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Назначение, устройство, характеристики, параметры

стабилитронов и диодов Шоттки

Полупроводниковые стабилитроны – это диоды, применяемые для стабилизации напряжения и работающие в режиме электрического пробоя р-n-перехода. Они изготавливаются из кремния, обеспечивающего получение необходимой вольтамперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения не пригодны, так как электрический пробой у них легко приобретает форму теплового пробоя и характеристика в этом режиме имеет неустойчивый падающий участок.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рис.1.

В точке А, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50 – 100 мкА. После точки А ток резко возрастает и допустимая величина его ограничивается лишь мощностью рассеяния Рмакс .

Допустимая рассеиваемая  мощность определяется тепловым сопротивлением диода, допустимой температурой перехода и температурой окружающей среды.

                                     

В современных стабилитронах максимальный ток составляет от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение этого тока ведет к перегреву и порче диода.

Основным функциональным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации, определяемое при заданном токе. Оно зависит от концентрации примесей в p-n структуре и находится в пределах от 2В (2С124Д) до 400В (2С904АС1) и более. Ввиду разброса параметров (обычно 10%) вместо номинального значения Uст часто приводят в справочниках его возможные предельные значения.

Напряжение пробоя стабилитрона мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики (от Iст мин до Iст макс) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона.

                                            .

Оно составляет от единиц до сотен ом, причем меньшая величина соответствует стабилитронам, имеющим напряжение стабилизации 2 – 15 В и большой рабочий ток.

При использовании стабилитрона для стабилизации напряжения его включают параллельно нагрузке Rн (рис.2). В неразветвленную часть цепи включают балластный резистор R.

Если напряжение питания во время работы может изменяться самопроизвольно в обе стороны относительно некоторого значения Е0, то рабочую точку на характеристике стабилитрона выбирают посередине рабочего участка, т.е.

При этом напряжение питания будет равно

.

Принцип стабилизации напряжения заключается в следующем. Пусть напряжение источника питания увеличилось вследствие нестабильности на величину Е. Общий ток, протекающий через балластное сопротивление и стабилитрон, возрастет. Происходит перераспределение падений напряжения на этих элементах. На стабилитроне, вследствие относительной вертикальности его характеристики, напряжение изменяется очень незначительно (Uст), а на балластном сопротивлении оно увеличивается заметно, компенсируя величину E.

Уравнение нагрузочной характеристики можно представить в виде

.

Это уравнение прямой, проходящей через точки Е0 и Е0 /R.

Рабочая точка определяется пересечением вольт-амперной и нагрузочной характеристик. Как видно из рис. 1, при изменении величины напряжения питания на Е соответствующее изменение Uст будет очень малым.

Оценим влияние параметров на качество стабилизации напряжения при включенной нагрузке Rн. В этом случае

.

При изменении напряжения источника питания

.

Отсюда

.

Из полученного выражения видно, что для повышения качества стабилизации необходимы условия: R >> Ri  и R >> Rн.

Однако чрезмерное увеличение сопротивления сопряжено с большой потерей мощности в нем и поэтому является невыгодным.

При использовании стабилитрона в прецизионных стабилизаторах необходимо учитывать, что напряжение стабилизации Uст зависит от температуры. Температурный коэффициент напряжения стабилизации

лежит в пределах 0,1% на 10С. Величина и знак зависят от напряжения стабилизации.

Для напряжений ниже 5В, соответствующих узким р-n-переходам, где преобладает туннельный пробой, ТКU отрицателен (рис. 3). Для напряжений выше 5В, соответствующих более широким переходам, ТКU положителен, так как при увеличении температуры снижается подвижность носителей заряда в переходе и для ударной ионизации, т.е. лавинного пробоя, необходима большая величина напряженности электрического поля.

Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к включению последовательно со стабилитроном термозависимого резистора R(Т), имеющего обратный температурный коэффициент. Для стабилитронов с положительным ТКU для этой цели обычно используют р-n-переходы, включенные в прямом направлении. Подобные приборы с успехом применяют в качестве эталонных источников напряжения даже в переносной аппаратуре.

Чтобы получить большое напряжение стабилизации, стабилитроны включают последовательно, при этом для компенсации разброса параметров иногда необходимо подключить параллельно к ним уравнительные резисторы.

Параллельное включение стабилитронов также допустимо, но, поскольку ток между ними вследствие разброса параметров распределяется неравномерно, во избежание повреждения среднюю мощность рассеяния на прибор следует брать значительно меньше величины, допустимой для одного прибора. Кроме того, можно выравнять токи диодов с помощью резисторов, включенных последовательно с ними; при этом, однако, ухудшаются стабилизирующие свойства ввиду увеличения результирующего дифференциального сопротивления приборов.

Диоды Шоттки – это металло-полупроводниковые диоды, в которых используется выпрямляющий контакт металл-полупроводник.

Основные математические соотношения для электрических характеристик таких контактов получил немецкий ученый В.Шоттки. Технология изготовления переходов металл-полупроводник со стабильными характеристиками была отработана лишь в последние годы, что привело к появлению различных типов диодов Шоттки, обладающих рядом преимуществ перед другими типами диодов.

Характер процессов на границе металл-полупроводник зависит от соотношения между работами выхода из металла и из полупроводника и рассмотрен в курсе физических основ электроники.

Диоды Шоттки обладают прямой ветвью вольт-амперной характеристики(ВАХ), которая близка к ВАХ идеализированного p-n-перехода. Это означает, что прямая ветвь ВАХ диода Шоттки идет круче, чем у обычных диодов.

В диодах Шоттки отсутствует накопление неосновных носителей в базовой области и, следовательно, диффузионная емкость. Отсутствие диффузионной емкости предопределяет высокое быстродействие приборов и более высокие предельные рабочие частоты, что особенно важно при создании быстродействующих интегральных схем и при использовании их в диапазоне СВЧ.

Время переключения диодов Шоттки из открытого состояния в закрытое и наоборот составляет доли пикосекунд, а предельная частота – сотни ГГц.

Благодаря меньшему прямому падению напряжения (0,3 В) металло-полупроводниковые переходы при использовании в мощных выпрямительных диодах позволяют существенно снизить потери мощности.  В настоящее время созданы выпрямительные диоды на прямые токи до 50 А.

Таким образом, стабилитрон используется для стабилизации напряжения и основным функциональным параметром его является напряжение стабилизации. Диоды Шоттки из-за отсутствия накопления заряда и малого прямого падения напряжения используются в диапазоне СВЧ и для выпрямления малых напряжений.

2. Назначение, устройство, характеристики, параметры

варикапов и светодиодов

Варикап – это полупроводниковый диод, применяемый в качестве электрического конденсатора, управляемого напряжением. В варикапе используется зависимость емкости перехода от обратного напряжения (рис. 4).

Схема включения варикапа показана на рис.5. Обратное напряжение на варикап подается через разделительный высокоомный резистор, предотвращающий шунтирование емкости варикапа малым внутренним сопротивлением источника питания. Изменяя величину обратного напряжения, можно регулировать емкость варикапа.

Параллельно варикапу включают колебательный LC-контур, настройку которого производят с помощью варикапа.

Для уменьшения влияния переменного напряжения колебательного контура на емкость варикапа часто применяют встречно-последовательное включение идентичных варикапов (рис.6).

Переменное напряжение поступает на варикапы в противофазе, поэтому вызываемые этим напряжением изменения емкости варикапов взаимно компенсируются, а результирующая емкость варикапов остается неизменной.

Качество варикапа определяют следующие основные параметры:

– номинальная емкость Сном, определяемая при номинальном обратном напряжении (обычно 2 – 5 В);

– коэффициент изменения емкости Кс = Смаксмин, представляющий собой отношение максимальной емкости варикапа (обычно при номинальном напряжении) к минимальной емкости (при максимальном рабочем напряжении);

– добротность Q, определяемая потерями энергии в варикапе;

– частотный диапазон (fпред).

Емкость варикапа зависит от площади перехода, концентрации примеси  в базе диода и величины обратного напряжения и практически может лежать в пределах от единиц пикофарад до десятых долей микрофарады.

Крутизна вольт-фарадной характеристики варикапа (рис. 4) С = f(Uобр) определяется как

.

Она имеет максимальное значение при Uобр = 0 и с повышением обратного напряжения уменьшается.

Добротностью варикапа называют отношение реактивной мощности к мощности потерь   .

При прохождении через варикап переменного тока часть мощности поглощается в токоведущих элементах, и часть мощности поглощается в самом электронно-дырочном переходе. Таким образом мощность потерь имеет две составляющие: потери в токоведущих элементах и потери в р-n-переходе. На низких частотах потери в токоведущих элементах малы, поэтому добротность определяется потерями в р-n-переходе. На высоких частотах, наоборот, добротность определяется потерями в токоведущих элементах. Для повышения добротности используют полупроводники с широкой запрещенной зоной (АsGa),  имеющие низкую концентрацию неосновных носителей заряда, т.е. малый обратный ток. Практически добротность варикапов может быть получена не хуже 100.

Рабочий диапазон частот варикапа определяется значениями минимально допустимой добротности. Максимальная рабочая частота определяется выражением

.

Влияние температуры на емкость варикапов относительно невелико. Значительно сильнее рост температуры влияет на добротность варикапа, что обусловлено экспоненциальным ростом обратного тока при увеличении температуры.

Предельная рабочая температура для германиевых варикапов составляет 50-60 0С, для арсенид-галлиевых варикапов она достигает 150 0С.

Благодаря возможности изменения емкости с помощью напряжения варикапы применяют для настройки высокочастотных колебательных контуров, управления частотой генераторов гармонических колебаний, осуществления частотной модуляции и т.д. Промышленностью выпускаются для этой цели большой ассортимент варикапов. Существует также разновидность варикапов, специально предназначенных для параметрического усиления колебаний и преобразования несущей частоты. Эти приборы называют варакторами или параметрическими диодами.

Светодиоды –  это полупроводниковые диоды, испускающие свет при протекании через них прямого тока. Свечение возникает при рекомбинации носителей, сопровождающееся выделением квантов света.

Явление излучения света полупроводниковыми p-n структурами в результате инжекции называют инжекционной электролюминесценцией.

Свет в p-n структуре возникает как в самом переходе, так и в областях, прилегающих к нему.

Цвет (длина волны излучения) определяется разностью энергий между уровнями, на которых находились электрон и дырка до рекомбинации.

Ввиду того, что глаз человека чувствителен к излучению с длиной волны макс  0,7мкм, разность энергий между уровнями должна быть не менее

.

Поэтому для создания излучательных переходов используют обычно полупроводники с широкой запрещенной зоной (карбид кремния, арсенид галия, фосфид галия и др.).

Например, на основе карбида кремния создают диоды красно-оранжевого и желтого свечения. Этот материал обладает большой механической прочностью, прозрачен во всем диапазоне видимого света, что устраняет трудности отвода излучаемого света. Однако процесс выращивания кристаллов этого материала очень сложный и дорогой, да и размер кристалла удается получить порядка 3x3 мм.

Наиболее перспективными являются твердые растворы тройных полупроводниковых соединений: арсенид галия - фосфид галия - фосфид индия, дающие излучение желтого и желто-зеленого свечения высокой яркости. Яркость свечения линейно зависит от плотности тока.

Светодиоды используются в качестве индикаторов для отображения различной информации.

Конструкция светодиода (рис. 7) предусматривает свободный выход светового потока из базовой р-области, являющейся источником излучения. Для улучшения восприятия светового сигнала часто используют линзы. Разновидностью светодиодов является цветосигнальный индикатор с плавноизменяющимся цветом свечения. Он имеет две дырочные области  из фосфида галлия, легированные различными акцепторными примесями (рис. 8). Область, легированная азотом, дает зеленое свечение, а область, легированная цинком, – красное свечение. Каждый из р-п-переходов имеет отдельный вывод, что позволяет получать либо красное, либо зеленое свечение, а при одновременном включении обоих переходов, регулируя величину тока через переходы, можно получить изменяющийся цвет свечения от зелено-желтого до желто-красного.

Маркировка стабилитронов и варикапов аналогична рассмотренной на прошлой лекции маркировке выпрямительных диодов. Отличие состоит в том, что для стабилитронов вторым элементом маркировки будет буква С с цифровым индексом, а для варикапов – В.

Таким образом, варикапы работают при обратном смещении и используются как конденсаторы, управляемые напряжением. Применяются для настройки высокочастотных колебательных контуров. Светодиоды используются в индикаторах для отображения различной информации.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Рассмотренные полупроводниковые диоды находят чрезвычайно широкое применение в аппаратуре связи различного назначения, постоянно расширяются их возможности, диапазон рабочих частот. Это обусловлено высокой надежностью полупроводниковых диодов, малыми объемно-весовыми показателями, малой потребляемой мощностью и т.д. Кроме рассмотренных типов диодов существуют также и другие типы, используемые для специальных целей: фотодиоды, обращенные диоды, лавиннопролетные диоды, диоды Ганна и др.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 199 – 201.

Старший преподаватель кафедры N 9

доцент       п/п             Г.Подлеский

Рецензент:

                               доцент

   п/п             Б.Степанов


~U

VD

С

Rн

Uвыпр

Uт

Рис. 1

Iпр

Uпр

t

t

t

i

выпр

Рис. 2

Iпр

Рис. 3

Uпр

Е

Рис. 4

U

t

tуст

t

tвос

Рис. 5

I

 pn

t11

t1

n

t=0

р-n переход

Рис. 6

n

p

р-п-переход

Рис. 7

I

Рис. 8

U

U

Uст

Iст

I

Iстмин

Iстмакс

Ucт

Рис. 1

R(t)

Е0

Rн

R

+

_

Рис. 2

А

Uобр

Iобр

Т́́΄΄΄

Для туннельного пробоя

Для лавинного пробоя

Рис. 3

С

U

Рис. 4

VD

L

Рис. 6

_

C

+

_

R

Cр

VD

Рис. 5

_

C

+

_

R

VD

L

р

п

Рис. 7

п

р

р

Рис. 8


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7904. Конституційні права та свободи людини і громадянина 139 KB
  Тема: Конституційні права та свободи людини і громадянина Мета: ознайомити учнів з конституційними правами та свободами людина і громадянина, їх класифікацією, пояснити значення прав та свобод людини і громадянина та їх захист в Україні формувати в...
7905. Право власності. Урок 52.5 KB
  Тема уроку: Право власності Мета уроку: сформувати уявлення про зміст спадкового права, порядок спадкування за заповітом та за законом навчити аналізувати правові ситуації, що регулюються нормами спадкового права розвивати ...
7906. Володимиро-Суздальське князівство. Великий Новгород. Монгольське завоювання Русі 25.48 KB
  Всесвітня історія: Володимиро-Суздальське князівство. Великий Новгород. Монгольське завоювання Русі. Невська битва та Льодове побоїще. Початок збирання руських земель навколо Москви. Мета: створити умови для всебічного розуміння учнями всіх політичн...
7907. Віра, надія, любов як духовно-практичні виміри людини 41 KB
  Віра, надія, любов як духовно-практичні виміри людини Загальноприйнятим і простим є твердження, що людина не може жити без віри. Насамперед віру тлумачать якупевненість людини в існуванні якого-небудь явища, визнання його реальності. Віра...
7908. Загальні засади організації системи органів влади України 40 KB
  Загальні засади організації системи органів влади України У розділі І Конституції Загальні засади є низка важливих положень, які стосуються характеру і статусу організації державної влади. В ч. 1 ст. 5 Конституції встановлено: «Народ здійснює влад...
7909. Причини, характер, періодизація Другої світової війни 29.2 KB
  Причини, характер, періодизація Другої світової війни Більше, ніж півстоліття минуло з дня закінчення Другої світової війни, яка принесла людству чисельні жертви і руйнування. У цій війні брали участь понад 60 держав, на території яких проживало...
7910. Стереотипи та їх роль у житті людини і суспільства. Толерантність. Ксенофобія. Расизм 26.28 KB
  Стереотипи та їх роль у житті людини і суспільства. Толерантність. Ксенофобія. Расизм. Мета: розвивати готовність і потребу учнів до самопізнання і самореалізації своєї особистості визначити сутність понять стереотипи, толерантність формувати ...
7911. Засоби масової інформації та їх роль у суспільному житті 28.66 KB
  Засоби масової інформації та їх роль у суспільному житті Мета: дати знання про сутність понять інформація, ЗМІ, Інформаційна революція визначити основні види і функції ЗМІ розкрити роль ЗМІ у сучасному суспільному житті продовжити формування вмін...
7912. Особливості розвитку української культури. Освіта. Недільні школи в наддніпрянській Україні. Вищі навчальні заклади. Новоросійський університет 25.19 KB
  Особливості розвитку української культури. Освіта. Недільні школи в наддніпрянській Україні. Вищі навчальні заклади. Новоросійський університет Освіта в другій половині XIX ст.Чому освіту називають світлом життя? МЕТА:формувати вміння аналізув...