Выпрямительные диоды

Эти диоды предназначены для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный. К их быстродействию, емкости p-n-перехода и стабильности параметров высоких требований не предъявляют. Их выполняют на сплавных и диффузионных несимметричных p-n-переходах. Выпрямительные диоды характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Для этого площадь p-n-перехода выполняется относительно большой и, следовательно, емкость p-n-перехода достаточно велика (десятки пикофарад). Поэтому переходные процессы в этих диодах протекают относительно долго. (Под длительностью переходного процесса понимают время перехода из открытого состояния диода в запертое и наоборот при перемене полярности приложенного напряжения).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

• допустимое обратное напряжение U_обр, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения работоспособности;
• средний прямой ток I_{пр ср} — наибольшее допустимое значение постоянного тока, протекающего длительно в прямом направлении;
• максимально допустимый импульсный прямой ток I_пр при указанной в паспорте наибольшей длительности импульса;
• средний обратный ток I_{обр ср} — среднее за период значение обратного тока;
• среднее прямое напряжение U_{пр ср} — падение напряжения на открытом диоде;
• средняя рассеиваемая мощность P_{ср д} — средняя за период мощность, выделяющаяся в диоде при выпрямлении переменного тока;
• дифференциальное сопротивление r_диф = U_{пр ср} / I_{пр ср}.

Стабилитроны

Стабилитроны — это диоды, использующие участок вольт-амперной характеристики p-n-перехода, соответствующий обратному электрическому пробою (рис. 1.5, в). Стабилитрону, как показывает само название, свойственна стабильность, т. е. неизменность падения напряжения на нем при изменениях в несколько раз тока, протекающего через него. Благодаря этому свойству

Во избежание теплового пробоя последовательно со стабилитроном включают резистор R₀ (рис. 1.5, б), ограничивающий ток I_ст, который является обратным током для p-n-структуры стабилитрона. При изменениях входного напряжения U_вх (рис. 1.5, в) меняются ток I_ст и падение напряжения от этого тока на R₀. Значения тока I_ст и его изменений определяются точками А, В и С пересечения вольт-амперной характеристики p-n-перехода и прямых, проведенных под углом arctg R₀ из точек U_вх и его изменений, отложенных на оси U_обр. Точка А определит значение U_ст при среднем значении U_вх, а точки В и С — изменения U_ст при изменениях U_вх.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке ВС равно

r_диф = U_ст / I_ст . (1.1)

Если напряжение U_вх может изменяться в обе стороны от своего среднего значения, то точку А выбирают на середине линейного участка вольт-амперной характеристики стабилитрона, причем

U_вх = U_ст + I_ст R₀ . (1.2)

Перейдя от (1.2) к приращениям, запишем

U_вх = U_ст + I_ст R₀,

а подставив I_ст из (1.1) , получим

U_вх = U_ст + I_ст R₀ / r_диф,

откуда

U_ст = .

При R₀ >> r_диф получим, что U_ст << U_вх и стабилизация тем лучше, чем больше отношение R₀ / r_диф.

Рис. 1.5. Стабилитрон:

а — условное обозначение; б — схема включения; в — вольт-амперная характеристика

Основными параметрами стабилитронов являются:

• напряжение стабилизации U_ст;
• минимальный ток стабилизации I_{ст min}, при котором наступает устойчивый электрический пробой p-n-перехода;
• максимальный ток стабилизации I_{ст max}, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;
• дифференциальное сопротивление r_диф;
• максимальная мощность рассеяния P_max, при которой еще не наступает тепловой пробой p-n-перехода;
• температурный коэффициент стабилизации _ст — отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (выражается в %/град):

_cт = ΔU_ст / (U_ст Т).

Выпускаются кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от 5 до 400В и на мощность от 250 мВт до 50 Вт.

Диоды Шоттки

В основе выпрямляющего диода может использоваться не только переход между полупроводниками p- и n-типа, но и между полупроводником и металлом. Такие диоды называются диодами Шоттки.

Рис. 1.6. Металлополупроводниковый диод Шоттки:

а — структура диода; б — условное обозначение; в — вольт-амперная характеристика; 1 — переход Шоттки; 2 — p-n-переход

Рассмотрим структуру металл — полупроводник n-типа. Если работа выхода электронов у металла выше, чем у полупроводника, то преобладающим будет перемещение электронов из полупроводника в металл (свободным электронам металла труднее приобрести энергию, равную работе выхода, чем электронам полупроводника). В результате металл заряжается отрицательно, а оставшиеся в полупроводнике ионы донорной примеси создают в его приграничном слое положительный потенциал (рис. 1.6, а). Такое распределение зарядов создает контактную разность потенциалов U_к (потенциальный барьер), препятствующий дальнейшему перемещению электронов. При этом тонкий приграничный слой полупроводника обедняется носителями. Таким образом, в месте контакта металла и полупроводника возникает переход, аналогичный p-n-переходу. Если к такому переходу приложить обратное напряжение, совпадающее с U_к, то ширина обедненной области увеличится, а сопротивление перехода возрастет. Если приложить прямое напряжение, то оно будет противодействовать U_к, при этом переход сужается, потенциальный барьер уменьшается и через переход начинает течь ток. Вольт-амперные характеристики такого перехода и p-n-перехода оказываются аналогичными.

Основной отличительной особенностью характеристик диода Шоттки является значительно меньшее прямое падение напряжения по сравнению с диодами на основе p-n-перехода (рис. 1.6, в). Это объясняется тем, что в диоде Шоттки одно из веществ перехода — металл, и следовательно, его электрическое сопротивление (и соответствующее падение напряжения на нем) значительно меньше, чем у полупроводника.

Другая особенность диода Шоттки — отсутствие проникновения неосновных носителей заряда из металла в полупроводник (в рассматриваемом случае — дырок, которые для n-области являются неосновными). Это значительно повышает быстродействие диодов Шоттки по сравнению с обычными диодами, так как отпадает необходимость в рассасывании таких носителей при смене полярности внешнего напряжения.

Диоды Шоттки, у которых выпрямляющий переход представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия, нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного напыления, обладают емкостью, не превышающей 0,01 пФ. Это обеспечивает чрезвычайно малое время их переключения (доли наносекунды) и предельно высокую частоту работы (десятки гигагерц). Мощные диоды позволяют пропускать токи в десятки ампер при обратных напряжениях до 500 В. Благодаря меньшему прямому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у диодов p-n-типа) они обеспечивают более высокий КПД. Условное обозначение металлополупроводникового диода Шоттки приведено на рис. 1.6, б.

Варикапы

Напомним, что при подаче обратного напряжения p-n-структура уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n-области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от носителей заряда). Образующаяся при этом барьерная емкость может быть использована в качестве конденсатора в электронной аппаратуре. Варикапы — это полупроводниковые диоды, работа которых основана на явлении барьерной емкости запертого p-n-перехода. Поскольку размеры области p-n-перехода зависят от значения приложенного к нему обратного напряжения, то и величина барьерной емкости изменяется вместе с этим напряжением.

Внешнее обратное напряжение, втягивая электроны вглубь n-области, а дырки — вглубь p-области, расширяет p-n-переход и изменяет барьерную емкость. Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от значения обратного напряжения — вольт-фарадная характеристика. Основными параметрами варикапов являются номинальная емкость и диапазон ее изменения, а также допустимые обратное напряжение и мощность. Варикапы применяются для электрической настройки колебательных контуров в радиоаппаратуре.

Светодиоды

На основе явлений, происходящих в p-n-переходе при протекании через него прямого тока, можно получать полупроводниковые приборы, способные генерировать оптическое излучение. Такими приборами являются полупроводниковые светодиоды. Работа светодиодов основана на инжекционной электролюминесценции, т. е. генерации оптического излучения в p-n-переходе, находящемся под прямым внешним напряжением. Под воздействием внешней энергии электроны в атомах переходят в возбужденное состояние с более высоким уровнем энергии W₂, называемым метастабильным уровнем возбуждения. При возвращении этих электронов с метастабильного уровня W₂ на исходный W₁ происходит испускание фотонов c длиной волны, определяемой соотношением:

= 1,23 (W₂ – W₁).

К преимуществам полупроводниковых светодиодов относятся высокий по сравнению с лампами накаливания КПД, относительно узкий спектр излучения и хорошая диаграмма направленности, высокое быстродействие и малое напряжение питания. Все это обеспечивает удобство согласования с интегральными микросхемами, высокую надежность, долговечность и технологичность. Спектр излучения, а следовательно и его цвет, зависит от используемого полупроводникового материала. Светодиоды изготавливают не на основе кремния или германия, как большинство полупроводниковых приборов, а на основе арсенида-фосфида галлия. Яркость свечения пропорциональна прямому току светодиода. Тока в несколько миллиампер уже достаточно для отчетливой индикации. Светодиоды изготавливают как в виде отдельных индикаторов, так и в виде семисегментных или точечных матриц. Семисегментные матрицы состоят из семи светящихся полосок — сегментов, из которых можно синтезировать изображение любой цифры от 0 до 9 (такие матрицы используются, например, в электронных часах с цифровой индикацией). В точечных матрицах изображение формируется из светящихся точек. На основе точечных матриц можно синтезировать изображение уже не только цифры, но и любого индицируемого знака (буквы, специального символа и.т.д.).

Фотодиоды

Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод (см. рис. 1.4, а), в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на p-n-переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре.

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей вглубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p-n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p-n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей — дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком I_ф. Фотоносители — дырки — заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители — электроны — заряжают n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС — Е_ф. Генерируемый ток в фотодиоде — обратный, он направлен от катода к аноду. Причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут использоваться для получения электрической энергии. Так, солнечные батареи изготавливают на основе фотодиодов с большой площадью p-n-перехода.

Оптроны

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие такие пары «светодиод — фотодиод», называются оптронами (рис. 1.7). Они широко используются в электронной аппаратуре для гальванической развязки входных и выходных цепей.

Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Использование оптронов в электронно-вычислительных устройствах является одним из основных ме

Основной носитель помех в радиоэлектронной аппаратуре — корпус. Корпус используется как один из полюсов электропитания, поэтому подключение к нему разных силовых устройств приводит к наведению кратковременных импульсных помех при коммутациях сильноточных цепей. В то же время для передачи информации чисто электрическим путем между устройствами — источником и приемником информации — должна быть электрическая связь по корпусу. Если к этому же корпусу подключены силовые цепи, то помехи, вызванные коммутациями в этих цепях, приводят к сбоям в работе других устройств, подключенных к корпусу.

Рис. 1.7. Оптрон:

1 — светодиод; 2 — фотодиод

Передача информации с помощью оптронов позволяет развязать электрические цепи питания источника и приемника информации, так как носителем информации является электрически нейтральное оптическое излучение. Таким образом, устройства могут иметь разные корпуса, т. е. оказываются гальванически развязанными и не подверженными воздействию помех.

Кроме защиты от воздействия помех, гальваническая развязка на основе оптронов позволяет решить еще одну задачу — совместную работу устройств, находящихся под разными потенциалами. Любая, даже небольшая, разность потенциалов не позволяет чисто электрически соединять разные устройства, поскольку это приведет к выходу их из строя. Передача сигнала в оптроне возможна, даже если цепи светодиода и фотодиода находятся под разными (в некоторых оптронах до 500 В) напряжениями. Таким образом, устройства, информационно связанные с помощью оптронов, могут находиться под разными потенциалами.