Принцип работы выпрямительных диодов:
Работа диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.
Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер). Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4…0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым). При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.
Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.
На рисунке 1.1 показаны условное графическое обозначение (УГО) диода, его идеальная и реальная вольт-амперная характеристики (ВАХ). Видимый излом ВАХ в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.
На ВАХ реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает. Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.
| Область электрического пробоя
|
| Рисунок 1.1. Полупроводниковый диод:
а – условное графическое изображение;
б – идеальная ВАХ; в – реальная ВАХ
|
Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды. Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150-200 °С против 80-100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60-80 А/см2 против 20-40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от Ge, который относится к редкоземельным элементам).
К преимуществам Ge-диодов можно отнести малое падение напряжения при протекании прямого тока (0,3-0,6 В против 0,8-1,2 В).
Кроме названных ПП материалов, в сверхвысокочастотных цепях используют арсенид галлия GaAs.
Полупроводниковые (ПП) диоды по технологии изготовления делятся на два класса: точечные и плоскостные.
Точечный диод [2]образуют Si- или Ge-пластина n-типа площадью 0,5…1,5 мм2 и стальная игла, образующая p–n-переход в месте контакта. В результате малой площади переход имеет малую емкость, следовательно, такой диод способен работать в высокочастотных цепях. Но ток через переход не может быть большим (обычно не более 100 мА).
Плоскостной диод [3]состоит из двух соединенных Si- или Ge-пластин с разной электропроводностью. Большая площадь контакта ведет к большой емкости перехода и относительно низкой рабочей частоте, но проходящий ток может быть большим (до 6000 А).
Основными параметрами выпрямительных диодов являются:
– максимально допустимый прямой ток Iпр.max;
– максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max;
– максимально допустимая частота fmax.
По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:
– малой мощности, прямой ток до 300 мА;
– средней мощности, прямой ток 300 мА-10 А;
– большой мощности – силовые, максимальный прямой ток определяется классом и составляет 10, 16, 25, 40, …1600 А.
Импульсные диоды [4]применяются в маломощных схемах с импульсным характером подводимого напряжения. Отличительное требование к ним – малое время перехода из закрытого состояния в открытое и обратно (типичное время 0,1-100 мкс).
УГО импульсных диодов такое же, как у выпрямительных диодов.
К специфическим параметрам импульсных диодов относятся:
| Рисунок 1.2. УГО и ВАХ
туннельных диодов
|
– время восстановления Tвосст – это интервал времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток уменьшится до заданного значения;
– время установления Tуст – это интервал времени между началом протекания через диод прямого тока заданной величины и моментом, когда напряжение на диоде достигнет установившегося значения;
– максимальный ток восстановления Iобр.имп.макс., равный наибольшему значению обратного тока через диод после переключения напряжения с прямого на обратное (рис 1.2,а).
| Рисунок 1.3. УГО и ВАХ обращенных диодов
обращенных диодов
|
Туннельные диоды применяют в качестве переключателей, усилителей или генераторов колебаний, поскольку ВАХ этих диодов (рис. 1.3) имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При этом частота переключений может достигать 40 ГГц. Для получения туннельных диодов используют полупроводниковые материалы с очень большим содержанием примесей и добиваются очень малой ширины p–n-перехода (на два порядка меньше, чем у обычных плоскостных выпрямительных диодов).
| Рисунок 1.4. УГО и структура диода Шоттки:
1 – низкоомный исходный кристалл кремния;
2 – эпитаксиальный слой высокоомного
кремния; 3 – область объемного заряда;
4 – металлический контакт
|
Обращенные диоды [5]получают при концентрации примесей в p- и n-областях меньшей, чем у туннельных диодов, но большей, чем у обычных выпрямительных диодов. Такой диод оказывает малое сопротивление проходящему току при обратном включении (рис.1.3) и сравнительно большое сопротивление при прямом включении. Поэтому их применяют при выпрямлении малых сигналов с амплитудой напряжения в несколько десятых вольта.
Диоды Шоттки [6]получают, используя переход металл-полупроводник. При этом применяют подложки из низкоомного n-кремния (или карбида кремния) с высокоомным тонким эпитаксиальным слоем того же полупроводника (рис.1.4).
На поверхность эпитаксиального слоя наносят металлический электрод, обеспечивающий выпрямление, но не инжектирующий неосновные носители в базовую область (чаще всего золото). Благодаря этому в этих диодах нет таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому инерционность диодов Шоттки не высока. Она определяется величиной барьерной емкости выпрямляющего контакта (1-20 пФ). Кроме этого, у диодов Шоттки оказывается значительно меньшее, чем у выпрямительных диодов последовательное сопротивление, так как металлический слой имеет малое сопротивление по сравнению с любым даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления значительных токов (десятки ампер). Обычно их применяют в импульсных вторичных источниках питания для выпрямления высокочастотных напряжений (частотой до нескольких МГц).
Стабилитроны – полупроводниковые диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Их используют для стабилизации напряжения.
Рабочим участком на ВАХ стабилитрона является зона электрического пробоя (рисунок 1.5).
Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний.
| Рисунок 1.5. ВАХ
стабилитрона
|
Основные параметры стабилитрона:
– напряжение стабилизации Uст;
–дифференциальное сопротивление на участке стабилизации Rд= dUст/dIст;
–минимальный и максимальный токи стабилизации Iст.мин и Iст.макс. Минимальный ток стабилизации обусловлен нелинейностью обратной ветви ВАХ, максимальный – допустимой температурой кристалла;
–температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации, показывающий на сколько (в процентах) изменится Uст при изменении температуры кристалла на 1 °С (прил.2):
TKU=dUст/UdT∙100 %
Промышленностью выпускается стабилитроны с Uст=1-1000 В, Iст.мин= 0,2-10 мА. На участке стабилизации Rд»const и составляет 0,5-200 Ом.
Варикапы[7]. Это полупроводниковые диоды, используемые в качестве емкостного элемента, управляемого электрическим напряжением. Емкость диода зависит от величины обратного напряжения (рис.1.6). Основными параметрами варикапа являются общая емкость С, фиксируемая обычно при небольшом обратном напряжении 2…5 В, и коэффициент перекрытия по емкости Кс = Смакс /Смин при двух заданных значениях обратных напряжений. В большинстве случаев С=10-500 пФ и Кс=5-20.
Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты.
| Рисунок 1.6. Зависимость емкости от обратного
напряжения и УГО варикапа
|
2020-05-25
262
