ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

1. Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами – анодом и катодом.

В основе принципа действия полупроводниковых диодов лежит односторонняя проводимость p-n-перехода.

В зависимости от конструктивных особенностей образования p-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготавливают как в дискретном, так и в интегральном исполнении.

Классификация диодов по назначению:

• выпрямительные,
• импульсные,
• опорные (стабилитроны),
• туннельные,
• варикапы и др.

В зависимости от исходного полупроводника различают кремниевые и германиевые диоды.

Выпрямительные диоды подразделяются на:

• диоды малой мощности (I_пр.ср.< 0,3 A),
• средней мощности (0,3 A < I_пр.ср.< 10 A) и
• большой мощности (I_пр.ср. > 10 A).

Конструкция и ВАХ выпрямительного диода средней мощности показаны на рис 2.6.

Основные параметры выпрямительных диодов:

• среднее значение выпрямленного тока I_пр.ср., который может длительно протекать по диоду при допустимом его нагреве;
• среднее значение прямого падения напряжения U_пр.ср. в открытом состоянии, определяемое при заданном его значении I_пр.ср.;
• постоянный обратный ток I_обр.;
• диапазон рабочих частот;
• максимальное допустимое обратное напряжение U_обр.max., которое диод может длительное время выдерживать без разрушения кристаллической решетки, т.е. без потери односторонней проводимости.

Для получения высоких выпрямленных напряжений диоды включают последовательно (рис. 2.7, а). Для устранения неравномерного распределения значений обратных напряжений между последовательно соединенными диодами их необходимо шунтировать резисторами R_ш сопротивлением более 100 кОм.

Если ток электрической цепи больше номинального значения среднего прямого тока, диоды должны быть включены параллельно (рис. 2.7, б). Однако из-за разбросов параметров полупроводниковых диодов даже одной партии значение прямого среднего выпрямленного тока одного из диодов может значительно превысить аналогичные токи других диодов. В результате диод нагревается и выходит из строя. Поэтому, при параллельном соединении диодов последовательно с каждым из диодов необходимо включать добавочный резистор R_д сопротивлением от 0,1 до 10 Ом.

2. Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для работы в качестве ключевых элементов в импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств, импульсные диоды должны иметь минимальное значение времени при переключении в прямом и обратном направлениях.

Рис. 2.6. Полупроводниковый диод:

а – конструкция; б – ВАХ при разных температурах

Рис. 2.7. Схема соединений полупроводниковых диодов:

а – последовательное соединение; б – параллельное соединение

3. Стабилитроны (рис. 2.8, а) представляют собой диоды, ВАХ которых имеет ярко выраженный участок электрического пробоя аб (рис. 2.8, б).

В отличие от силовых диодов, у которых рабочим участком ВАХ является прямая ветвь кремниевых стабилитронов, используется обратная ветвь. Для изготовления стабилитронов используют кремний, так как обратные токи p-n-переходов невелики, то нет условий для саморазогрева и теплового пробоя p-n-перехода.

Классификация стабилитронов по значению напряжения стабилизации:

· низковольтные (U_ст < 5,4 В)

· высоковольтные U_ст > 5,4 В).

Применение кремниевых стабилитронов:

• для стабилизации напряжений,
• для фиксации уровня напряжения и токов.

Они выполнены таким образом, что в случае повышения значения обратного напряжения U_обр.пр. возникает сильное электрическое поле, которое сообщает носителям электрического тока энергию, достаточную для ударной ионизации атомов вещества. В результате наступает электрический пробой обратно смещенного p-n-перехода. Происходит лавинное увеличение носителей зарядов, поэтому рост обратного тока протекает при незначительном изменении значения обратного напряжения.

Рис. 2.8. Полупроводниковые стабилитроны:

а – условное обозначение; б – ВАХ; в – схема стабилизатора напряжения параметрического типа

Основные параметры стабилитрона:

· напряжение стабилизации U_ст – падение напряжения на стабилитроне в режиме стабилизации при прохождении номинального тока стабилизации I_ст.ном (рис. 2.8, б);

· минимальный ток I_ст.min – при нем начинается режим стабилизации и максимальный ток I_ст.max – при нем электрический переходит в тепловой;

· дифференциальное сопротивление в рабочей точке на участке стабилизации R_диф = δU_ст/δI_ст, характеризующее степень изменения напряжения при изменении тока через стабилитрон;

· температурный коэффициент напряжения, характеризующий относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1 ºС и выражаемый в процентах.

Простейшая схема стабилизатора напряжения параметрического типа (рис. 2.8, в) состоит из балластного резистора R_б, стабилитрона VD, параллельно которому включен нагрузочный резистор. При увеличении напряжения на входе U_вх увеличивается ток, проходящий через стабилитрон VD и балластный резистор R_б. При этом напряжение на выходе U_вых остается неизменным и равным напряжению стабилизации.

4. Туннельные диоды (рис. 2.9, а) представляют собой полупроводниковые диоды, в которых применяют высоколегированные полупроводниковые элементы. В результате этого ширина p-n-перехода получается очень узкой, а контактная разность потенциалов – большой. Это обстоятельство меняет свойства p-n-перехода и приводит к тому, что туннельный механизм переноса носителей электрического заряда становится основным. В результате ВАХ при прямом включении туннельного диода имеет падающий участок аб (рис. 2.9, б). Одной из разновидностей туннельного диода являются обращенные диоды (рис. 2.9, в). Концентрация примесей в них меньше, чем в туннельных, что в значительной степени изменяет их вольт-амперную характеристику (рис. 2.9, г).

Применение:

• Туннельные диоды применяются в схемах генераторов, усилителей,
• обращенные диоды – в схемах переключения, детектирования и преобразования частоты.

Параметры туннельных и обращенных диодов:

максимальный ток (пиковый) I_п в точке а максимума ВАХ;

максимальное напряжение пика (точка а) U_п;

ток впадины I_в (точка б);

напряжение впадины U_п;

дифференциальное сопротивление R_диф участка аб ВАХ.

Рис. 2.9. Туннельный и обращенный полупроводниковые диоды:

а – условное обозначение туннельного диода; б – ВАХ туннельного диода; в – условное обозначение обращенного диода; г – ВАХ обращенного диода

5. Варикапы(рис. 2.10, а) представляют собой полупроводниковые диоды, которые используются в качестве электрически управляемой емкости. Они применяются в схемах автоматической подстройки частоты, параметрических усилителей и генераторов.

Принцип действия варикапов основан на свойстве барьерной емкости обратно смещенного p-n-перехода изменять ее значение в зависимости от приложенного обратного напряжения

(рис. 2.10, б). В рабочем режиме к варикапу прикладывается внешнее запирающее p-n-переход напряжение. С ростом величины обратного напряжения емкость варикапа уменьшается, так как расширяется область объемного заряда p-n-перехода, т. е. увеличивается его ширина.

Рис. 2.10. Варикап:

а – условное обозначение; б – вольт-фарадная характеристика

Основные параметры варикапов:

· добротность Q;

· номинальная емкость С_ном;

· максимальная С_max и минимальная C_min емкости;

· максимальное обратное напряжение U_обр.max.