Общие характеристики диодов
Рис. 3.1. Устройство полупроводникового диода |
Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрическом переходе, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.
Различают диоды:
в зависимости от назначения:
ü выпрямительные;
ü стабилитроны;
ü варикапы;
ü туннельные;
ü импульсные и др.;
по применяемым исходным материалам:
ü германиевые;
ü кремниевые;
ü из арсенида галлия;
по технологии изготовления:
ü сплавные;
ü диффузионные;
ü планарные;
по частотному диапазону:
ü низкочастотные;
ü высокочастотные;
ü СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);
по типу р-n-перехода:
ü плоскостные;
ü точечные.
Плоскостным называют р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.
Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германия n-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводника n-типа – базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.
В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем диффузии из газовой фазы атомов примеси в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.
Рис. 3.2. Устройство диода: а – плоскостного; б - точечного |
а) |
б) |
В точечных диодах (рис. 3.2, б) выпрямляющий p-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10...20 мкм) и кристаллом полупроводника обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводника p-типа. Точечные диоды вследствие малой площади p-n-перехода выпускаются на малые токи.
Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики: 1 –n-p-перехода, 2 –диода |
.
Отсюда напряжение, приложенное к диоду, равно:
Uэб = I rб + Upn.
Необходимо заметить, что сопротивление базы (rб) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.
При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I0. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации (Iтг). С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и ток Iтг также увеличивается.
Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки (Iу). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый Iобр, определяется как сумма токов:
Iобр = I0 + Iтг + Iу.
Каждый тип диодов характеризуется параметрами – величинами, определяющими основные свойства приборов, а также имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.
Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:
· постоянный обратный ток диода (Iобр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;
· постоянное обратное напряжение диода (Uобр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;
· постоянный прямой ток диода (Iпр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;
· постоянное прямое напряжение диода (Uпр) – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;
Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры – параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:
· максимально допустимая рассеиваемая мощность (Рmах);
· максимально допустимый постоянный прямой ток (Iпр. mах), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;
· максимально допустимое постоянное обратное напряжение (Uобр. mах);
· дифференциальное сопротивление (rдиф);
· минимальная (Тмин) и максимальная (Тmах) температуры окружающей среды для работы диода.
Допустимая рассеиваемая мощность (Рmах) определяется тепловым сопротивлением диода (Rт), допустимой температурой перехода (Тп mах) и температурой окружающей среды (То) в соответствии с соотношением:
.
Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:
.
Обратное максимально допустимое напряжение (Uобр. mах) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:
Uобр max ≈ 0,8 Uпроб.
Дифференциальное сопротивление (rдиф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:
.
Сопротивление rдиф зависит от режима работы диода.
Минимальная температура окружающей среды (Тмин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.
Для германиевых диодов максимальная температура Тмакс= +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости
Обозначение диодов состоит из шести символов:
· первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):
Г или 1 – германий;
К или 2 – кремний;
А или 3 – соединения галлия;
· второй символ (буква) указывает подкласс приборов:
А – сверхвысокочастотный; | Б – с объёмным эффектом Ганна; |
В – варикапы; | Г – генераторы шума; |
Д – выпрямительные, универсальные, импульсные; | И – туннельные и обращенные; |
К – стабилизаторы тока; | Л – излучающие; |
Н – динисторы; | С – стабилитроны стабисторы; |
У – тиристоры; | Ц – выпрямительные столбы и блоки; |
· третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).
· четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).
· шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.
Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.
Виды диодов
Рис. 3.4. Условное графическое изображение выпрямительного диода |
(рис. 3.4) называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Это плоскостные диоды с относительно большой площадью p-n-перехода.
Выпрямительные диоды дополнительно характеризуются электрическими величинами, определяющими их работу в выпрямителях:
· средним за период значением обратного напряжения (Uобр.ср);
· средним за период значением обратного тока (Iобр.ср);
· максимальным значением выпрямленного тока (Iвп.ср.max);
· среднем за период значением прямого напряжения (Uпр.ср) при заданном среднем значении прямого тока.
Рис. 3.5. ВАХ выпрямительного диода |
Uобр |
I0 |
Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода (рис. 3.5) описывается уравнением:
,
где I0– тепловой обратный ток; φт – температурный потенциал, при комнатной температуре 25 °С.
Импульсные диоды.Импульсный полупроводниковый диод – это диод имеющий малую длительность переходных процессов и предназначен для работы в импульсном режиме.
Основное применениеимпульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов в цифровых схемах, кроме того, для детектирования высокочастотных сигналов и в высокочастотной преобразовательной технике.
Рис. 3.6. Временные диаграммы работы импульсных диодов |
t |
t |
Uобр |
Uвх |
t |
Iпр |
I |
Iобр |
Переходный процесс, в течение которого обратное сопротивление диода восстанавливается до постоянного значения после быстрого переключения с прямого напряжения на обратное, называется восстановлением обратного сопротивления диода. Одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления обратного сопротивления (tв). По его значению импульсные диоды делятся на 6 групп:
1) tв > 500 мс; | 2) 150 < tв < 500 мс; |
3) 30 < tв < 150 мс; | 4) 5 < tв < 30 мс; |
5) 1 < tв < 5 мс; | 6) tв < 1 мс. |
Рис. 3.7. Условное графическое обозначение стабилитрона |
В стабилитронах, используется лавинный или туннельный пробой, следовательно, используемый материал чаще всего кремний. Участок 1 вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 3.8) соответствует неустойчивому лавинному или туннельному пробою.
Основные параметры стабилитрона:
1) напряжение стабилизации;
2) температурный коэффициент напряжения стабилизации;
3) минимальный ток;
4) максимальный ток;
5) дифференциальное сопротивление;
6) статическое сопротивление.
Рис. 3.8. ВАХ стабилитрона |
Uст |
I U |
Iст min Iст Iст max |
Температурный коэффициент напряжения стабилизации является одним из наиболее важных параметров стабилитрона. Он определяется по формуле:
при Iст = const.
Температурный коэффициент напряжения стабилизации показывает относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока.
При лавинном характере пробоя aст положителен. С увеличением температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, при понижении температуры – уменьшается. При туннельном пробое aст становится отрицательным, так как с увеличением температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается, с понижением температуры увеличивается. Смена знака aст происходит при напряжении электрического пробоя 5 – 6 В. Для уменьшения aст стабилитрона иногда применяют комбинацию из последовательно включенных (двух или более), специально подобранных p-n-переходов с противоположным по знаку температурным коэффициентом напряжения. Одним из вариантов температурной компенсации является включение последовательно со стабилитроном диода в прямом направлении.
Минимальный ток стабилитрона (Iст.min) определяется гарантированной устойчивостью состояния электрического пробоя p-n-перехода.
Максимальный ток стабилитрона (Iст.max) определяется отношением максимально допустимой мощности к напряжению стабилизации:
Imax » Pmax / Uст.
Дифференциальное сопротивление стабилитрона – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот:
.
Этот параметр характеризует основное свойство стабилитрона. Чем меньше rст, тем лучше осуществляется стабилизация.
Статическое сопротивление или сопротивление стабилитрона на постоянном токе в рабочей точке определяется по формуле:
.
Рис. 3.9. Условное графическое обозначение туннельного диода |
Последовательное соединение двух, трёх и т.д. стабисторов даёт возможность получить удвоенное, утроенное напряжение стабилизации.
Стабистор имеет отрицательный температурный коэффициент и поэтому часто используется для температурной компенсации стабилитрона с положительным температурным коэффициентом. Для этого последовательно со стабилитроном необходимо включить один или несколько стабисторов.
Туннельные диоды.Туннельный диод (рис. 3.9) – это полупроводниковый диод, на прямом участке ВАХ которого (рис. 3.10) имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Рис. 3.10. ВАХ туннельного диода |
При обратном включении туннельный диод работает в режиме туннельного пробоя.
Основные параметры туннельного диода:
1) пиковый ток (In)
2) ток впадины (Iв);
3) отношение (In / Iв);
4) напряжение пика (Un);
5) напряжение впадины (Uвп).
Туннельные диоды используют для генерации и усиления электрических колебаний и в переключающихся схемах.
Рис. 3.11. Условное графическое обозначение обращенного диода |
Рис. 3.12. ВАХ обращённого диода |
Обращённые диоды.Обращённым называют диод (рис. 3.11), у которого проводимость при обратном смещении значительно больше, чем при прямом. Прямая ветвь ВАХ обращённого диода (рис. 3.12) аналогична ВАХ туннельного, а обратная ветвь ВАХ аналогична ВАХ выпрямительного диода.
Основные особенности обращённого диода:
1) способны работать только в диапазоне малых напряжений.
2) обладают хорошими частотными свойствами.
3) малочувствительны к воздействию проникающей радиации.
Рис. 3.13. Условное графическое обозначение варикапа |
Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 3.14) – зависимость емкости варикапа (Св) от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости (Св) может изменяться от единиц до сотен пикофарад.
Основными параметрами варикапа являются:
·
Рис. 3.14. Вольт-фарадная характеристика варикапа |
Uобр |
Cв |
· коэффициент перекрытия по емкости (КС), используемый для оценки зависимости Cв = f (Uобр) и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (КС = 2...20);
· температурный коэффициент емкости, который характеризует зависимость параметров варикапа от температуры:
ТКЕв = DСв / (СвDT),
где DСв/Св – относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры DT окружающей среды.
Дата добавления: 2016-02-16; просмотров: 2528;