Выпрямительные диоды. Кремниевый диод

1.R и.макс = U пр.и.макс / I пр.и –прямое импульсное сопротивление диода. 2. t пр.уст –время установления прямого сопротивления диода – интервал времени от начала включения импульса прямого тока до момента достижения напряжением на диоде значения 1,1·U пр.

При выключении источника прямого тока происходит процесс рассасывания накопленных в базе неравновесных носителей заряда как вследствие их рекомбинации, так и в результате их ухода во внешнюю цепь, если она имеется. В момент выключения тока наблюдается скачок напряжения на диоде U б (t выкл), вызванный изменением падения напряжения в базе диода. В течение всего времени пока на границе перехода имеется неравновесная концентрация заряда, его можно рассматривать как заряженную ёмкость или генератор послеинжекционной э.д.с. Если R н = ∞, то спад послеинжекционной э.д.с. происходит в результате только рекомбинации. В противном случае ещё и за счёт протекания тока через R н, причем вначале, пока избыточная концентрация велика, скорость спада определяется высокой скоростью рекомбинации, а не сопротивлением R н. Форма напряжения на диоде при протекании через него прямого импульса тока приведена на рисунке.

Переключение диода с прямого напряжения на обратное .

Резистор R1 и источник E1 определяют величину прямого тока через диод, а R1 и E2 величину обратного тока.

Резистор R2 служит датчиком тока, т.е. его сопротивление выбирается настолько малым, что падением напряжения на нём можно пренебречь по сравнению с любыми другими падениями напряжения в схеме. В момент переключения ток через диод меняет направление на противоположное, дырки на границе перехода начинают втягиваться полем перехода в p-область и обратный ток, за счёт избыточной концентрации

дырок в базе диода, может скачком достичь большого значения. Так как инжекции больше нет, этот избыточный заряд в базе будет убывать как вследствие протекания обратного тока, так и в результате рекомбинации. В течении промежутка времени t 1 , пока напряжение на переходе, обусловленное неравновесным градиентом концентрации, остаётся положительным, величина обратного тока остаётся неизменной и определяется сопротивлением R 1: I 2 = E обр / R 1 . Эта фаза переключения (t 1) называется фазой высокой обратной проводимости и длится она пока граничная, избыточная концентрация не достигнет равновесной. Для плоскостных импульсных диодов если и если .

Вторая фаза (промежуток времени t 2) обусловлена рекомбинацией избыточного заряда в глубине базы, концентрация которого стремится к равновесной. В течении этой фазы обратный ток монотонно спадает до величины нормального обратного тока диода I 0 .

У плоскостных диодов . Параметрами, характеризующими импульсные диоды, являются все параметры высокочастотных диодов, приведённые выше параметры- R и.макс и t пр.уст, а также параметр t восс = t 1 + t 2 .

Диод с накоплением заряда

Это разновидность импульсных диодов, специально спроектированных для формирования коротких импульсов. Неравномерным распределением примесей в базе диода создаётся ускоряющее, либо

тормозящее поле, способствующее перераспределению инжектированного заряда в области базы.

Ускоряющее поле как бы оттягивает дырки от границы перехода, снижая граничную концентрацию, а тормозящее поле поджимает дырки к переходу, повышая их граничную концентрацию. Так как длительность первой фазы формирования обратного тока определяется временем спада граничной концентрации до равновесной, можно создавать диоды с заданной длительностью фазы высокой обратной проводимости.

Туннельный диод

Увеличением концентрации примесей в обоих полупроводниках можно добиться туннельного эффекта даже при равновесном состоянии p-n перехода. Уровень Ферми в этом случае лежит внутри разрешённых зон на расстоянии ≈3φ T от их границ. Напротив валентной зоны p-области располагаются уровни зоны проводимости n-области. Такое слияние зон происходит при некоторой критической концентрации примесей. Например для германия эта величина составляет 2·10 25 м -3 , а для кремния 6·10 25 м -3 , т.к. ширина запрещённой зоны у него больше.

При нулевом смещении перехода При небольших смещениях, как в прямом так и в обратном направлении через переход протекает туннельный ток электронов, величина которого зависит от приложенного напряжения. Обратный туннельный ток при этом может достигать весьма больших значений.

При увеличении прямого смещения прямой ток растёт за счёт увеличения прямого напряжения, затем рост тока замедляется из-за уменьшения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости смежных полупроводников. В точке максимума ВАХ увеличение прямого тока за счет увеличения прямого напряжения компенсируется его уменьшением вследствие сужения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости. Отметим, что наряду с туннельным током, при прямом смещении, через переход протекает и диффузионный ток, однако его доля в прямом токе диода при небольших смещениях ещё невелика. Дальнейшее увеличение прямого смещения приводит к уменьшению

прямого тока т.к. сужение области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости начинает влиять на величину тока в более значительной степени, нежели увеличение прямого напряжения.

Туннельный ток, при дальнейшем увеличении прямого напряжения, стремится к нулю, а диффузионный ток начинает расти. Этим обусловлен минимум тока на ВАХ, которая по мере дальнейшего увеличения прямого напряжения переходит в ВАХ обычного диода. Приборы, имеющие ВАХ подобную ВАХ туннельного диода называют приборами с N-образной ВАХ.

Диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Устройство полупроводникового диода

База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты с n- и p-областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.

Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрическом переходе, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Различают диоды:

в зависимости от назначения :

• выпрямительные;
• стабилитроны;
• варикапы;
• туннельные;
• импульсные и др.;

по применяемым исходным материалам :

• германиевые;
• кремниевые;
• из арсенида галлия;

по технологии изготовления :

• сплавные;
• диффузионные;
• планарные;

по частотному диапазону :

• низкочастотные;
• высокочастотные;
• СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода :

• плоскостные;
• точечные.

Плоскостным называют р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.

Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германия n-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводника n-типа – базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.

В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем диффузии из газовой фазы атомов примеси в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.

Рис. 3.2. Устройство диода: а – плоскостного; б - точечного

В точечных диодах (рис. 3.2, б) выпрямляющий p-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10…20 мкм) и кристаллом полупроводника обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводника p-типа. Точечные диоды вследствие малой площади p-n-перехода выпускаются на малые токи.

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.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I 0 . Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации (I тг) . С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и ток I тг также увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки (I у). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый I обр, определяется как сумма токов:

I обр = I 0 + I тг + I у.

Каждый тип диодов характеризуется параметрами – величинами, определяющими основные свойства приборов, а также имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.

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.

Минимальная температура окружающей среды (Т мин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Т макс = +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Обозначение диодов состоит из шести символов:

• первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 – германий;
К или 2 – кремний;
А или 3 – соединения галлия;

• второй символ (буква) указывает подкласс приборов:

• третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).
• четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).
• шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

Работа выпрямительного 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 рис. 1 показаны условное графическое обозначение (УГО) и характеристики выпрямительных диодов (их идеальная и реальная вольт-амперная характеристики). Видимый излом вольт-амперной характеристики диода (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 вольт-амперная характеристика 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.

Рис. 1. Полупроводниковый выпрямительный диод: а – условное графическое изображение, б – идеальная вольт-амперная характеристика, в – реальная вольт-амперная характеристика

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 германиевых диодов, который относится к редкоземельным элементам).

Рис. 4. УГО и структура диода Шоттки: 1 – низкоомный исходный кристалл кремния, 2 – эпитаксиальный слой высокоомного кремния, 3 – область объемного заряда, 4 – металлический контакт

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).

Потапов Л. А.

Cтраница 1

Кремниевые диоды Д202, Д205 предназначены для выпрямления переменного тока с частотой до 50 кгц и могут работать при температуре - 60 125 С. Они оформлены в металлическом герметичном корпусе с винтом для крепления на тешюотводящем шасси. При окружающей температуре 125 С и наличии шасси / max составляет 400 ма, без шасси 200 ма.  

Кремниевые диоды выдерживают большие обратные напряжения, чем германиевые.  

Кремниевые диоды могут быть применены не только для выпрямления, но и для стабилизации напряжения постоянного тока. В этом случав они называются кремниевыми стабилитронами. IX-10, точка А), После излома характеристика идет почти параллельно оси тока, подобно характеристике габового стабилитрона.  

Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми допускают работу при значительно более высоких температурах и дмеют большие обратные сопроти-вления, однако у германиевых диодов меньше прямое сопротивление, кроме того, они дешевле кремниевых.  

Кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Это обусловлено тем, что при температурах выше 85 С резко увеличивается собственная проводимость германия, приводящая к недопустимому возрастанию обратного тока.  

Кремниевые диоды применяют чаще германиевых, особенно когда недопустим обратный ток. Кроме того, они сохраняют работоспособность при температуре до 125 - 150 С, тогда как германиевые могут работать только при температуре до 70 С.  

Кремниевые диоды даже при нагружении в направлении пропускания тока через них имеют сравнительно высокое омическое сопротивление, если противодействующее напряжение не превышает примерно 0 7 В.  

ТЕМА 3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

1) по назначению: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ- и СВЧ- диоды), импульсные, полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные, варикапы и др.;

2) по конструктивно – технологическим особенностям: плоскостные и точечные;

3) по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенидо - галлиевые и др.

Рисунок 3.1 – Устройство точечных диодов

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n- типа (рис.3.1), толщиной 0,1…0,6мм и площадью 0,5…1,5 мм2; с пластинкой соприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный р-n- переход полусферической формы.

Для изготовления германиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р- типа является эмиттерной.

Для изготовления кремниевых точечных диодов используется кремний n- типа и проволочка, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

В плоскостных диодах р-n- переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Устройство плоскостных диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным методом (б)

В пластинку германия n- типа вплавляют при температуре около 500°С каплю индия (рис. 3.2, а) которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р- типа. Область с электропроводностью р- типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n- типа.

Диффузионный метод изготовления р-n- перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (рис. 3.2, б). Для создания р- слоя используют диффузию акцепторного элемента (бора или алюминия для кремния, индия для германия) через поверхность исходного материала.

3.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямительные диоды выполняются на основе р-n- перехода и имеют две области, одна из них является более низкоомной (содержит большую концентрацию примеси), и называется эмиттером. Другая область, база – более высокоомная (содержит меньшую концентрация примеси).

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Как известно, прямой ток диода создается основными, а обратный – не основными носителями заряда. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию не основных носителей, чем и обусловливаются вентильные свойства диода.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

· прямой ток диода Iпр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно Uпр = 1…2В);

· максимально допустимый прямой ток Iпр мах диода;

· максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр мах, при котором диод еще может нормально работать длительное время;

· постоянный обратной ток Iобр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном Uобр мах;

· средний выпрямленный ток Iвп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;

· максимально допустимая мощность Pмах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока диоды делятся на маломощные (Iвп.ср £ 0,3А), средней мощности (0,3А 10А).

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С.

Рисунок 3.3 – Изменение вольт - амперной характеристики полупроводникового диода от температуры: а − для германиевого диода; б − для кремниевого диода

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет DUпр = 0,3…0,6В, у кремниевых диодов − DUпр = 0,8…1,2В. Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера р-n- переходов, сформированных в кремнии.

С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера.

При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через р-n- переход.

При повышении температуры р-n- перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.

В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n- перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8)Uпроб.

Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

В ряде мощных преобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока, обратного напряжения превышают номинальное значение параметров существующих диодов. В этих случаях задача решается параллельным или последовательным соединением диодов.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие несовпадения прямых ветвей ВАХ они окажутся различно нагруженными и, в некоторых прямой ток будет больше предельного.

Рисунок 3.4 – Параллельное соединение выпрямительных диодов

Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор) или последовательно с диодами включают уравнительные резисторы с сопротивлением в единицы Ом. Иногда включают дополнительные резисторы (рис. 3.4, в) с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением Rд, т.е. Rд>>rпр вд. Величина Rд составляет сотни Ом.

Последовательное соединение диодов применяют для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток Iобр. однако ввиду различия обратных ветвей ВАХ общее напряжение будет распределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого обратная ветвь ВАХ идет выше, будет приложено большее напряжение. Оно может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Рисунок 3.5 – Последовательное соединение выпрямительных диодов

Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами. Сопротивления Rш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов Rш <

3.2 Стабилитроны

Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-n- переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n- переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостный переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры стабилитронов:

· напряжение стабилизации Uст (Uст = 1…1000В);

· минимальный Iст міn и максимальный Iст мах токи стабилизации (Iст міn» 1,0…10мА, Iст мах » 0,05…2,0А);

· максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмах;

· дифференциальное сопротивление на участке стабилизации rд = DUст/DIст, (rд» 0,5…200Ом);

· температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации:

TKU стабилитрона показывает на сколько процентов изменится стабилизирующее напряжение при изменении температуры полупроводника на 1°С

(TKU= −0,5…+0,2 %/°С).

Рисунок 3.6 – Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его условное графическое обозначение

Стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Стабилизацию низковольтного напряжения в пределах 0,3…1В можно получить при использовании прямой ветви ВАХ кремниевых диодов. Диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называют стабистором. Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат.

Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов:

Uст = Uст1 + Uст2 +…

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, т.к. из-за разброса характеристик и параметров из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет возникать только в одном, имеющем наименьшее стабилизирующее напряжение Uст, что вызовет перегрев стабилитрона.

3.3 Туннельные и обращенные диоды

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт - амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий р-n- переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Туннельный эффект состоит в том, что при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии.

Основные параметры туннельных диодов:

· пиковый ток Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ;

· ток впадины Iв − прямой ток в точке минимума ВАХ;

· отношение токов туннельного диода Iп/Iв;

· напряжение пика Uп – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

· напряжение впадины Uв − прямое напряжение, соответствующее току впадины;

· напряжение раствора Uрр.

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Рисунок 3.7 – Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Обращенный диод – диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина р-n- перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через р-n- переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р- области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь.

Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Рисунок 3.8 – Вольт-амперная характеристика обращенного диода

Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

3.4 Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний.

Основные параметры варикапов:

· номинальная емкость Св – емкость при заданном обратном напряжении (Св = 10…500 пФ);

· коэффициент перекрытия по емкости

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

Рисунок 3.9 – Вольт-фарадная характеристика варикапа

3.5 Расчет электрических цепей с полупроводниковыми диодами.

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рис. 3.10, а). Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.

Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току Rо и сопротивления нагрузочного резистора Rн. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение Rо у него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, Rн и характеристика диода, требуется определить ток в цепи I и напряжение на диоде Uд.

Рисунок 3.10

Характеристику диода следует рассматривать как график некоторого уравнения, связывающего величины I и U. А для сопротивления Rн подобным уравнением является закон Ома:

Итак, имеются два уравнения с двумя неизвестными I и U, причем одно из уравнений дано графически. Для решения такой системы уравнений надо построить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления Rн – это уравнение первой степени относительно I и U. Его графиком является прямая линия называемая линией нагрузки. Она строится по двум точкам на осях координат. При I= 0 из уравнения (3.1) получаем: Е − U= 0 или U= Е, что соответствует точке А на рис. 3.10, б. А если U= 0, то I= E/Rн. откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки. Координаты точки D дают решение поставленной задачи.

Следует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не делать, если Rн >>Rо. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно: I»E/Rн.

Рассмотренный метод расчета постоянного напряжения можно применить для амплитудных или мгновенных значений, если источник дает переменное напряжение.

Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 3.11. В ней последовательно соединен источник переменного ЭДС – е, диод VD и нагрузочный резистор Rн. Эта схема называется однополупериодной.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе Rн падение напряжения UR. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и UR= 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе Rн выпрямленное напряжение. Графики на рис. 3.11, б иллюстрируют процессы в выпрямителе.

Рисунок 3.11

Амплитуда положительных полуволн на диоде очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе Rн, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение не более 1…2В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е=200В и

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе Rн равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Простейшая схема применения стабилитрона приведена на рис. 3.12, а. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому, в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Обычно Rогр рассчитывают для средней точки Т характеристики стабилитрона.

Рассмотрим случай, когда Е = const, а Rн изменяется в пределах от Rн min до Rн max..

Значение Rогр можно найти по следующей формуле:

где Iср = 0,5(Iст min+Iст max) – средний ток стабилитрона;

Iн = Uст/Rн – ток нагрузки (при Rн = const);

Iн.ср = 0,5(Iн min+Iн max), (при Rн = var),

Рисунок 3.12

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку Rогр постоянно и падение напряжения на нем, равное (Е − Uст), также постоянно, то и ток в Rогр, равный (Iст + Iн.ср), должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток нагрузки Iн изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если Iн увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Принцип действия стабилитрона рассмотрим на примере цепи, состоящей из последовательно соединенного источника переменной ЭДС – е, стабилитрона VD и резистора R (рис. 3.13, а).

В положительный полупериод на стабилитрон подается обратное напряжение, и до величины напряжения пробоя стабилитрона все напряжение прикладывается к стабилитрону, так как ток в цепи равен нулю. После электрического пробоя стабилитрона напряжение на стабилитроне VDостается без изменений и все оставшееся напряжение источника ЭДС будет приложено к резистору R. В отрицательный полупериод стабилитрон включен в проводящем направлении, падение напряжения на нем порядка 1В, а оставшееся напряжение источника ЭДС приложено к резистору R.