Назначение, классификация, устройство, принцип действия, основные параметры и характеристики полупроводниковых диодов.

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p), а другой – электронной (n) электропроводностью. Полупроводниковый диод представляет собой прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом.

Назначение и применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно и зависит от вида конкретного диода.

Основные виды диодов:

1) Выпрямительные диоды – п/п диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Основной характеристикой такого диода является коэффициент выпрямления равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении. Чем выше коэффициент выпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.

2) Высокочастотные диоды (СВЧ-диоды) – эти диоды предназначены для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты. Они используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц. В качестве высокочастотных обычно применяют точечные диоды, емкость электронно-дырочного перехода в которых составляет сотые и десятые доли пикофарад.

3) Варикапы – это диоды, работа которых основана на изменении емкости электронно-дырочного перехода в зависимости прикладываемого обратного напряжения. Эти диоды применяются в качестве конденсаторов с управляемой емкостью.

4) Стабилитроны – это диоды, используемые для стабилизации напряжения. В этих диодах используется наличие у диода критического обратного напряжения, при котором наступает электрический пробой.

5) Туннельные диоды - при больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельный эффект p-n-перехода. При этом в ВАХ диода появляется участок с отрицательным сопротивлением, что позволяет использовать его в схемах генерации и усиления электрических колебаний.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np >> nn). При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых.n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:

постоянный обратный ток диода (I_обр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

постоянное обратное напряжение диода (U_обр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;

постоянный прямой ток диода (I_пр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

постоянное прямое напряжение диода (U_пр) – 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 (Р_mах);

максимально допустимый постоянный прямой ток (I_{пр. mах}), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;

максимально допустимое постоянное обратное напряжение (U_{обр. mах});

дифференциальное сопротивление (r_диф);

минимальная (Т_мин) и максимальная (Т_mах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах) определяется тепловым сопротивлением диода (R_т), допустимой температурой перехода (Т_{п mах}) и температурой окружающей среды (Т_о) в соответствии с соотношением:

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

Обратное максимально допустимое напряжение (U_{обр. mах}) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:

U_{обр max} = 0,8 U_проб.

Дифференциальное сопротивление (r_диф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

Сопротивление r_диф зависит от режима работы диода.

Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики: 1 –n-p-перехода, 2 –диода

Теоретические вольт-амперные характеристики n-p-перехода и полупроводникового диода (рис.3.3) несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы (r_б), которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Падение напряжения на сопротивлении r_б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате, напряжение непосредственно на n-р-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:

Отсюда напряжение, приложенное к диоду, равно:

U_эб = I r_б + U_pn.

Необходимо заметить, что сопротивление базы (r_б) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.

40. Операционный усилитель. Различные схемы включения операционных усилителей.
Операционный усилитель – это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления напряжения и обеспечивающее выполнение различных операций по преобразованию аналоговых электрических сигналов, а именно: усиление, вычитание, сложение, интегрирование, дифференцирование и т.д.