2015-03-08
1196
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан в основном на использовании свойств р-n перехода. (Но есть диоды без использования р-n -перехода).
1.3.1 Выпрямительные диоды
Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Используется свойство односторонней проводимости р-n -перехода. Электрод с большей концентрацией основных носителей называется эмиттером (Э), электрод с меньшей концентрацией основных носителей – базой (Б).
Основной характеристикой выпрямительного диода является его вольт-амперная характеристика. На рисунке 1.5 приведены ВАХ р-n -перехода (1) или теоретическая и диода (2) или реальная.
Отличия реальной ВАХ от теоретической:
а) в области малых прямых токов характеристики совпадают, в области больших прямых токов становится значительным падение напряжения на сопротивлении полупроводников и электродов. Характеристика идет ниже и почти линейно;
б) при повышении обратного напряжения ток медленно растет в результате:
|
|
|
1) термической генерации носителей в переходе. С увеличением ширины перехода увеличивается его объем и увеличивается число генерируемых носителей, т.е. увеличивается тепловой ток. Обратное допустимое напряжение до 400 вольт, допустимая температура до (60-70)°С;
2) поверхностной проводимости р-n перехода за счет ионных и молекулярных пленок на поверхности перехода.
Соединение диодов.
Иногда используется параллельное или последовательное соединение диодов:
а) если Uобр.>Uобр. доп ., то используется последовательное соединение (см. рисунок 1.6,а). Для выравнивания обратных сопротивлений диодов необходимо их шунтировать резисторами Rш, чтобы равномерно разделить обратные напряжения на вентилях. Rш=(0,1¸0,2)Rобр;
б) если Iпр.>Iпрдоп ., то применяется параллельное соединение диодов (см. рисунок 1.6,б). При этом для выравнивания прямых сопротивлений диодов последовательно с ними включаются резисторы с малым сопротивлением Rдоб = (5¸10)Rд. прям .
1.3.2 Стабилитроны или опорные диоды
Стабилитроны − это кремниевые плоскостные диоды с нормированным напряжением пробоя и резким возрастанием обратного тока в точке пробоя. Напряжение на нем сохраняется с определенной точностью при изменении проходящего через него тока в заданном диапазоне. Принцип действия диода основан на использовании лавинного пробоя.
За счет высокой концентрации примесей и узкого перехода лавинный пробой наступает при низких обратных напряжениях. Так как рассеиваемая мощность мала, лавинный пробой не переходит в тепловой.
Выпускаются промышленностью:
|
|
|
а) стабилитроны общего назначения, которые используются в схемах стабилизации источников питания, ограничителях напряжения;
б) прецизионные – с высокой точностью стабилизации и термокомпенсации уровня напряжения;
в) импульсные – для стабилизации постоянного и импульсного напряжения;
г) двуханодные – в схемах стабилизаторов напряжения, ограничителях напряжения различной полярности;
д) стабисторы – для стабилизации малых значений напряжений и как термокомпенсирующие элементы для поддержания заданного напряжения стабилизации при изменении температуры.
Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 1.7,а. На рисунке 1.7,б изображен параметрический стабилизатор напряжения, принцип работы которого заключается в том, что при изменении напряжения Е изменяется ток, протекающий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно ему нагрузке практически не меняется.
Построим линию нагрузки E = IСТ Rб + UСТ на вольт-амперной характеристике стабилитрона. При IСТ = 0UСТ = Е, при UСТ = 0 IСТ = E/Rб. Соединим эти точки. При увеличении Е линия нагрузки сдвинется параллельно влево, рабочая точка (точка пересечения линии нагрузки с ВАХ) смещается вниз, т.е. ток через стабилитрон увеличится. Излишек напряжения падает на балластном сопротивлении Rб, а напряжение на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке останется тем же.
Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:
а) напряжение стабилизации UСТ;
б) минимальный IСТ min и максимальный IСТ mах токи стабилизации;
в) максимально допустимая рассеиваемая мощность Р mах;
г) дифференциальное сопротивление rдф = dUCТ / dICТ;
д) температурный коэффициент напряжения (ТКН) 
− отношение относительного изменения UCT к абсолютному изменению температуры при постоянном токе стабилизации..
Для стабилизации низких напряжений до 1 В используется прямая ветвь ВАХ кремниевого диода, называемого стабистором.
1.3.3 Варикапы
Принцип действия варикапа основан на зависимости барьерной емкости р-n перехода от приложенного обратного напряжения. Варикап представляет собой управляемую емкость. Варикапы также называются параметрическими диодами и варакторами. Емкость варикапа обратно пропорциональна приложенному обратному напряжению.
Варикапы изготавливаются из кремния. Используются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Чаще всего применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты.
1.3.4 Туннельные диоды
В основу работы диода положен туннельный эффект.
Диод построен на основе вырожденных полупроводников. Концентрация примесей – 1021 см-3, поэтому диод имеет очень узкий р-n переход.
Вольт-амперная характеристика приведена на рисунке 1.8. ВАХ имеет участок отрицательного сопротивления (аб). Туннельный эффект имеет место при обратном и небольшом прямом напряжениях, пока дно зоны проводимости ниже потолка валентной зоны (участок г0аб). На участке бв – диффузия.
Туннельные диоды изготавливаются из германия, кремния и арсенида галлия. Применяются для усиления, генерации, преобразования сигнала.
1.3.5 Обращенные диоды
Обращенные диоды – это диоды с концентрацией примесей (1019 см-3) меньше, чем у туннельных. Энергетические уровни не перекрываются, уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны р -области и дном зоны проводимости n -области, и туннельный эффект сохраняется только при обратном напряжении. Вольтамперная характеристика приведена на рисунке 1.9. Здесь на участке 0г имеет место туннельный эффект, а на участке 0бв – диффузия.
Используются диоды в схемах для индикации и детектирования слабых сигналов, в переключательных схемах, детекторах.
1.3.6 Диоды Шоттки
В основе работы диода Шоттки используется выпрямляющий контакт (п. 1.2), металл-полупроводник, который изготавливается из качественного кремния с молибденом, нихромом, золотом, платиной или алюминием.
|
|
|
Диод Шоттки работает на основных носителях, отсутствует инжекция неосновных носителей, диффузионная емкость около нуля, выше быстродействие, так как оно определяется только барьерной емкостью. Это определяет эффективность применения диодов Шоттки в высокочастотных аналоговых и цифровых схемах.
В таблице 1.1 приведены условные графические обозначения диодов.
Т а б л и ц а 1.1
| Наименование | Обозначение |
| выпрямительный диод |  |
| стабилитрон |  |
| туннельный диод |  |
| обращенный диод |  |
| варикап |  |
| диод Шоттки |  |
| двусторонний стабилитрон |  |
