Полупроводниковые диоды. Лекция 3

1. Полупроводниковые диоды

2.

Полупроводниковый диод
Диод – полупроводниковый прибор, с одним p-n переходом и двумя
выводами, обладающий односторонней проводимостью тока.
Классификация диодов:
1. В зависимости от геометрических
размеров p-n-переходов различают: точечные
и плоскостные.
2. В зависимости от технологии изготовления
различают:
диоды,
сплавные
и
микросплавные, с диффузионной базой,
эпитаксиальные и др.
3.
По функциональному назначению
диоды
делятся:
выпрямительные,
универсальные, импульсные, стабилитроны и
стабисторы,
варикапы,
тунельные
и
обращенные, а также СВЧ-диоды и др.

3.

ВАХ диода
При прямом смещении ВАХ диода сдвигается вправо
и почти линейной зависит от напряжения. Это связано
с учетом объёмное сопротивление областей базы rб и
эмиттера rэ диода, обычно rб>>rэ.
U φ Irб
I I 0 e т 1
При обратном смещении диода ток диода не
остается постоянным равным I0 , он возрастает т.к.
обратный ток диода состоит из трех составляющих:
Iобр =I0 + Iтг + Iут
I0 – тепловой ток перехода – не зависит от Uобр;
Iтг – ток термогенерации. Он возрастает с
увеличением Uобр. Это связано с тем, что p-n перехода
расширяется,
увеличивается
его
объем
и
следовательно увеличивается количество неосновных
носителей,
образующихся
в
нем
за
счёт
термогенерации. Он на 4-5 порядка больше тока I0.
Iут – ток утечки. Он связан с конечной величиной
проводимости поверхности кристалла, из которого
изготовлен диод. Iтг >> Iут.
При больших обратных напряжениях наблюдается
пробой диода.

4.

Параметры реальной ВАХ диода
При анализе электронных цепей с диодами используются
следующие параметры:
- e0 – напряжение отсечки;
- I0 – тепловой ток, протекающий через запертый p-n-переход;
- Uпроб – напряжение пробоя;
- Rпр=
U пр
– прямое статическое сопротивление p-n-перехода
I пр
(сопротивление постоянному току);
- rпр =
- Rобр =
- rобр =
U обр
I обр
U обр
I обр
U пр
I пр
– дифференциальное сопротивление p-n-перехода
(сопротивление переменному току);
– обратное статическое сопротивление p-n-перехода
– обратное дифференциальное сопротивление p-n-перехода

5.

Параметры реальной ВАХ диода
Типовые значения параметров диода:
Uпр тип = 0,7В – Si;
Uпр тип = 0,35В – Ge.
e0 = 0,4÷0,6В – Si;
e0 = 0,2÷0,3В – Ge.
rпр = десятки ÷ сотни Ом – Si;
rпр = десятки ÷ 50 Ом – Ge.
I0 = десятки ÷ сотни мкА;
I0 Ge ≈ 10·I0 Si.
rобр = сотни МОм – Si;
rобр = единицы МОм – Ge

6.

Включение диода в электрическую
цепь

7.

Эквивалентная схема диода
Эквивалентная схема замещения p-n перехода при
малых сигналах: можно не учитывать нелинейные свойства
диода. Rп = Rдиф — дифференциальное сопротивление
перехода в заданной рабочей точки (Rдиф = U/ I|U=const).
Эквивалентная схема при больших сигналах учитывает
нелинейные
свойства
р-n-перехода
путем
замены
дифференциального сопротивления на зависимый источник
тока I = I0(eU/ T – 1).
Сд — общая емкость диода, зависящая от режима;
rб — объемное сопротивление области базы диода;
Rут – сопротивление утечки.

8.

Схемы замещения по виду ВАХ

9.

Влияние температуры на ВАХ диода
I0(Т)=I(То)2(Т-То)/Т*
Т*= (5-6)0С – для Si
Т*= (9-10)0С – для Ge
aт = U / T – температурный
коэффициент напряжения
(ТКН)

10.

Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока, т.е. для преобразования
переменного напряжения в постоянное.
Выпрямительные диоды характеризуются малыми потерями в переходе, а также способностью
пропускать большие токи. Мощные выпрямительные диоды имеют массивный корпус для отвода
тепла от перехода. Выпрямительные диоды обычно работают на частоте сети переменного тока
50-60Гц. Для выпрямления высоких напряжений (единицы-десятки кВ) используются
специальные высоковольтные диоды – кремниевые (выпрямительные) столбы, состоящие из
нескольких включенных последовательно диодов.
Основные параметры выпрямительных диодов:
1. Uпр ср – напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного
тока.
2. Iобр ср – ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.
3. Uобр mах – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод може
длительно и надежно работать.
4. Iвп ср mах – средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором
обеспечивается его надежная длительная работа.
5. fmax – наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде
работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.
6. Рср д – мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях.

11.

Применение выпрямительных диодов
Однофазный однополупериодный выпрямитель

12.

Применение выпрямительных диодов
Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

13.

Применение выпрямительных диодов
Однофазный мостовой выпрямитель

14.

Импульсные диоды
Импульсные диоды предназначены для работы в высокочастотных и импульсных схемах
Электрический ключ имеет два состояния:
1) замкнутое, когда его сопротивление равно нулю RVD = 0;
2) разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно RVD = ∞.
При Uвх > 0 диод открывает и через него протекает прямой ток:
I m пр
Um
Rн
Когда входное напряжение меняет свою полярность на
противоположную (Uвх < 0) обратную для диода, он запирается,
но не мгновенно, а в течение некоторого времени – времени
восстановления (tвос).
После подачи запирающего напряжения диод остается в
проводящем состоянии и, =>, через него протекает обратный
ток, величина которого определяется внешней цепью:
I m обр
Um
Rн
Через короткое время (tрас – время рассасывания) переход начинает
запираться и в течение времени спада (tсп) обратный ток
экспоненциально спадает до установившегося значения Iобр уст.

15.

Импульсные диоды
Главная причина возникновения обратного импульса – разряд диффузионной емкости.
Накопленный заряд мгновенно исчезнуть не может, на это требуется время – время на
рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями.
t вос= t рас+ t сп
Чем меньше t вос, тем лучше (т.е. диод быстрее запирается).
Основные параметры импульсных диодов :
1. t вос – время восстановления (доли мкс);
2. Cд – емкость диода (доли пФ ÷ неск. пФ);
3. Uпр max – максимальное постоянное напряжение;
4. Iпр max – максимальные постоянный или импульсный прямой токи;
5. Uобр max – максимальное допустимое постоянное или импульсное обратное напряжение;
6. tуст – время установления прямого напряжения диода (≤ доли мкс) – временной интервал от
момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения
прямого напряжения на нем.

16.

Диоды Шоттки
Диоды с барьером Шоттки построены на переходе металл-полупроводник. Они имеют малое
падение напряжение, практическое отсутствие заряда восстановления и ток через переход
обусловлен одним типом носителей, поэтому это быстродействующие приборы (до 20ГГц). Их
используют в качестве импульсных и высокочастотных диодов.
Прямая ветвь ВАХ диодов Шоттки представляет
собой идеальную экспоненту, поэтому их
используют
в
качестве
логарифмирующих
диодов.
Диоды
Шоттки
применяют
в
выпрямителях больших токов (десятки ÷ сотни А)
при частотах выпрямления до 300МГц. Диоды
имеют малое прямое напряжение ≈ 0,25 ÷ 0,5В.
Недостатки: сравнительно небольшое обратное
напряжение (Uобр < 250В) и большие обратные
токи.

17.

Стабилитроны и стабисторы
Стабилитрон – это полупроводниковый диод, изготовленный из слаболегированного кремния,
который применяется для стабилизации постоянного напряжения.
• номинальное напряжение стабилизации Uст ном – номинальное напряжение
на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);
• номинальный ток стабилизации Iст ном – ток через стабилитрон при
номинальном напряжении стабилизации;
• минимальный ток стабилизации Iст min – наименьшее значение тока
стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;
• максимально допустимый ток стабилизации Iст max – наибольший ток
стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые
пределы;
• дифференциальное сопротивление rдиф – отношение приращения напряжения
стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации
rдиф = Uст/ Iст;
• ТКН – температурный коэффициент напряжения стабилизации
ТКН
здесь
U ст ном
U ст ном T
U ст ном
U ст ном T
100%
– относительное изменение напряжения на стабилитроне, приведенное к одному градусу;
Uст ном < 5 В – при туннельном пробое; Uст ном > 5 В – при лавинном пробое.

18.

Стабилитроны и стабисторы
Схема параметрического стабилизатора напряжения
Стабилизатор поддерживает неизменным
напряжение на нагрузке Uн при изменении
входного напряжения E и сопротивления
нагрузки Rн в заданном диапазоне
значений.
Принцип действия. При изменении напряжения E будет меняться ток
стабилитрона IVD, но напряжение на нем, а, следовательно, напряжение
на Rн будет практически постоянным.
Эффективность стабилизации напряжения оценивается с помощью коэффициента стабилизации,
который показывает во сколько раз, относительное изменение напряжения на выходе схемы
стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для рассмотренной
схемы:

19.

Стабилитроны и стабисторы
Стабисторы – это полупроводниковые диоды, в которых для стабилизации напряжения
используется прямая ветвь ВАХ. В таких диодах база сильно легирована примесями (rб →
0), а потому их прямая ветвь идет практически вертикально.
Параметры стабистора аналогичны параметрам стабилитрона. Они применяются для
стабилизации малых напряжений (Uст ном 0,6 В), ток стабисторов – от 1 до нескольких
десятков мА и отрицательный ТКН.

20.

Варикап
Варикап – это полупроводниковый диод, предназначенный для использования в
качестве конденсатора с управляемой емкостью.
Варикапы используют зависимость барьерной емкости p-nперехода от приложенного обратного напряжения.
Основные параметры варикапа
1. Сном – номинальная емкость варикапа (при Uобр=const)
составляет десятки ÷ сотни пФ.
2. Kс = Св max / Св min – коэффициент перекрытия по емкости
при двух заданных Uобр (единицы ÷десятки).
φk
Cбар C0
φ
U
k
Резонансный
(параллельный)
колебательный
контур
перестраивается
при
изменении
напряжения на варикапе Uв . Резистор R2
выбирается достаточно большим, чтобы цепь
управления не оказывала влияние на добротность
контура.

21.

Туннельные диоды
Основные параметры туннельного диода:
1.пиковый ток Iп;
2.ток впадины Iв;
3.напряжение пика Uп;
4.напряжение впадины Uв;
5.удельная емкость Сд/Iп;
6.дифференциальное сопротивление rдиф;
7.резонансная частота туннельного диода f0;
8.предельная резистивная частота fR;
9.шумовая постоянная туннельного диода Kш
Туннельные диоды обладают малой емкостью перехода
(доли÷единицы пФ) и поэтому нашли свое применение
на частотах более 1 ГГц и до 30 ÷ 100ГГц.
Особенностью ВАХ является наличие участка АВ с отрицательным сопротивлением. Это
свойство позволяет применять туннельный диод в качестве усилительного элемента и основного
элемента генераторов.

22.

Обращенные диоды
Обращенные диоды являются разновидностью туннельных диодов. В них
концентрация примесей несколько меньше, чем в туннельных. Благодаря этому у
них отсутствует участок с отрицательным сопротивлением.
На прямой ветви до напряжений 0,3-0,4В
имеется практически горизонтальный участок с
малым прямым током, в то время как ток
обратной ветви начиная с малых напряжений, за
счет туннельного пробоя, резко возрастает.
В этих диодах, для малых переменных
сигналов, прямую ветвь можно считать не
проводящей ток, а обратную – проводящей.
Отсюда и название этих диодов.
Обращенные диоды используются для
выпрямления СВЧ сигналов малых амплитуд
(100-300)мВ.