Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Типы полупроводниковых диодов

Типы полупроводниковых диодов

Все полупроводниковые диоды используют свойства выпрямляющего контакта металл-полупроводник либо электронно-дырочного перехода.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. В зависимости от функционального назначения различают: выпрямительные диоды, лавинные диоды, выпрямительные столбы, выпрямительные блоки и сборки, универсальные и импульсные диоды, диоды с накоплением заряда, диодные матрицы и сборки, стабилитроны, стабисторы, ограничители напряжения, генераторы шума, варикапы, варакторы, туннельные диоды, обращённые диоды, СВЧ-диоды, светоизлучающие диоды, излучающие диоды инфракрасного диапазона, фотодиоды и другие.

В технической документации и специальной литературе следует применять условные графические обозначения полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ 2.730-73 (см. таб. 1.5.1.).

Наименование прибораОбозначениеНаименование прибораОбозначениеНаименование прибораОбозначение

Рис. 1.5.1. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды (см. рис. 1.5.1.) предназначены для преобразования переменного тока в однополярный. Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.

Рис. 1.5.2. ВАХ выпрямительного диода

Для p-n-перехода прямой ветви ВАХ в области малых напряжений энергия электрического поля затрачивается в основном на компенсацию контактного электрического поля и понижение потенциального барьера. Поскольку при этом лишь малая часть носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, то сопротивление контакта еще велико. Ток через контакт незначительный и соответствующий этой ситуации участок прямой ветви ВАХ имеет слабый наклон (см. рис. 1.5.2.). При дальнейшем увеличении напряжения энергия носителей оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера и ток резко возрастает.

При обратном смещении p-n-перехода основные носители заряда оттягиваются от p-n-перехода, высота потенциального барьера для них повышается, поэтому основные носители заряда не участвуют в создании электрического тока. Ток образуется неосновными носителями, концентрация которых гораздо меньше. Поэтому ток, протекающий при обратном смещении, гораздо меньше тока при прямом смещении.

К основным статическим параметрам диода относятся:

· прямое падение напряжения при заданном прямом токе ;

· постоянный обратный ток при заданном обратном напряжении

К основным динамическим параметрам относятся:

· — среднее за период значение выпрямленного тока;

· — среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока;

· — среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения; — среднее за период значение обратного напряжения;

· — граничная частота, на которой выпрямительный ток диода уменьшается до установленного уровня

К параметрам электрического режима относятся:

· — дифференциальное сопротивление диода;

· — ёмкость диода, включающая ёмкости электрического перехода и корпуса, если последний существует.

Под предельно допустимыми эксплуатационными режимами работы диодов подразумеваются такие режимы, которые обеспечивают с заданной надёжностью работу приборов в течение оговоренного техническими условиями срока службы.

К параметрам эксплуатационных режимов относятся:

· — максимальное значение выпрямленного тока;

· — максимальное значение допустимого обратного напряжения;

· — максимальная допустимая мощность:

· — минимальная температура окружающей среды для работы диода;

· — максимальная температура окружающей среды для работы диода

Выпрямительные диоды делятся на:

· Силовые (низкочастотные) для использования в выпрямителях =50кГцa.

· Диоды малой мощности: < 300мА

· Диоды средней мощности: 300мА < < 10А

· Диоды большой мощности: 10А <

· Диоды маломощные (высокочастотные для применения в разного рода детекторах =10 100МГц)

Выпрямительные диоды широко применяют в источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шоттки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды,- селеновые и титановые выпрямители.

Рис. 1.5.3. Лавинные диоды

Лавинные диоды – это разновидность выпрямительных диодов, в которых нормируется напряжение лавинного пробоя (см. рис. 1.5.3.). Лавинные диоды используются для защиты цепей от перенапряжения.

Рис. 1.5.4. Выпрямительные столбы

Выпрямительные столбы – это совокупность выпрямительных диодов, включённых последовательно и собранных в единую конструкцию с двумя выводами, используется в высоковольтных выпрямителях (см. рис. 1.5.4.).

Рис. 1.5.5. Выпрямительные блоки и сборки

Выпрямительные блоки и сборки – содержат несколько диодов, электрически независимых или соединённых в виде однофазного или трёхфазного моста (см. рис. 1.5.5.). Позволяют упростить монтаж и уменьшить габариты аппаратуры.

Рис. 1.5.6. Универсальные и импульсные диоды

Универсальные и импульсные диоды отличаются от выпрямительных диодов более высоким быстродействием и большими значениями импульсных токов, имеют другую систему параметров (см. рис. 1.5.6.).

Рис. 1.5.7. Тиристор

Тиристор — полупроводниковый прибор, с четырёхслойной структурой p-n-p-n-типа, обладающий в прямом направлении двумя устойчивыми состояниями — состоянием низкой проводимости (тиристор заперт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт) (см. рис. 1.5.7.).

Рис. 1.5.8. ВАХ тиристора

Участок характеристики между точками OA соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением (см. рис. 1.5.8.). В этом случае основная часть напряжения Uпр падает на коллекторном переходе, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы и включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода. При достижении напряжения, называемого напряжением включения Uвкл, или тока, называемого током включения Iвкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками BC, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками AB находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В обратном направлении тиристор обладает только запирающими свойствами. Т.е тиристор — это управляемый диод.

Рис. 1.5.9. Диоды с накоплением заряда

Диоды с накоплением заряда (ДНЗ) – разновидность импульсных диодов, имеющие малое время обратного восстановления (см. рис. 1.5.9.). Это достигается неравномерным легированием базы.

Читайте так же:
Пластмассовый короб для проводов

Рис. 1.5.10. Диодные матрицы

Диодные матрицы – представляют собой интегрированные в одном корпусе или кристалле универсальные и импульсные диоды (диоды соединяются в виде микросхем) (рис. 1.5.10), которые могут быть соединены между собой или изолированы.

Рис. 1.5.11. СтабилитронРис. 1.5.12. ВАХ стабилитрона

Стабилитрон — полупроводниковый прибор, в котором для стабилизации напряжения используется слабая зависимость напряжения лавинного (или туннельного) пробоя от обратного тока через переход. При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина составляет значение 2÷50 Ом (рис. 1.5.12.).

К основным параметрам стабилитрона относятся:

· напряжение стабилизации Uст при заданном токе стабилизации Iст;

· дифференциальное сопротивление стабилитрона при заданном токе стабилизации:

· температурный коэффициент напряжения стабилизации :

Для уменьшения температурного коэффициента стабилизации разработаны прецизионные стабилитроны. В них включены один или несколько прямосмещённых p-n-переходов.

Импульсный стабилитрон от обычных стабилитронов отличается повышенным быстродействием и применяется для стабилизации амплитуды импульсов.

Двухсторонний стабилитрон образован двумя импульсными стабилитронами, включёнными встречно. Стабилитроны обычно одинаковы, что приводит к симметричной ВАХ. Используются в двухсторонних ограничителях импульсов.

Рис. 1.5.13. Генератор шума

Генератор шума – это стабилитрон, работающий на грани пробоя (рис. 1.5.13.). Напряжение пробоя стабилитрона в этом режиме нестабильно, поэтому кроме постоянного напряжения генерируется шумовое напряжение. Спектр шума равномерен до частоты 3,5 МГц.

Стабистор – один или несколько последовательно включённых диодов (рис. 1.5.14.), в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ (рис. 1.5.15.).

Рис. 1.5.14. СтабисторРис. 1.5.15. ВАХ стабистра

Рис. 1.5.16. Ограничитель напряжения

Ограничитель напряжения – полупроводниковый диод, работающий в режиме туннельного или лавинного пробоя, предназначен для защиты электрических цепей от перенапряжения (рис. 1.5.16.). От обычных стабилитронов отличается высоким быстродействием и большими допускаемыми импульсными токами.

Рис. 1.5.17. ВарикапРис. 1.5.18. Вольт-ёмкостная характеристика варикапа

Варикап – нелинейный конденсатор на основе p-n-переходов (рис. 1.5.17.), барьерная ёмкость С которого перестраивается с изменением напряжения U на нём (рис. 1.5.18.). При увеличении обратного напряжения смещения емкость варикапа уменьшается. Варактор – варикап, используемый в умножителях частоты (силовой варикап). Используется в радиопередатчиках, там где стоит задача генерировать сигналы большой мощности.

Рис. 1.5.19. ВАХ туннельного диода

Туннельный диод – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными полупроводниками. В этих диодах туннельный эффект проявляется уже при небольших положительных напряжениях на p-n-переходах. Туннельный диод – СВЧ прибор, который работает в сантиметровом диапазоне волн (λ=1÷10 см). Туннельные диоды относятся к негатронам (имеют участок с отрицательным сопротивлением, n-образный участок) n-типа (рис. 1.5.19.). Обращённый диод отличается от туннельных диодов меньшей концентрацией примесей в p- и n-областях. Туннельный эффект проявляется только при обратном напряжении.

Рис. 1.5.20. СВЧ-диод

СВЧ-диод предназначены для работы в сантиметровом и дециметровом диапазоне волн (рис. 1.5.20.) . В зависимости от выполняемой функции делятся на: смесительные, детекторные, параметрические, ограничительные, переключательные, умножительные, настроечные, генераторные (лавинно-пролётные диоды и диоды Ганна)

Рис. 1.5.21. Светоизлучающие диоды

Светоизлучающие диоды предназначены для преобразования элементарной энергии в энергию некогерентного излучения в соответствующем диапазоне волн (рис. 1.5.21.). Излучение возникает при рекомбинации неосновных носителей в базе прямосмещённого p-n-перехода с шириной запрещённой зоны более 1,8эВ.

Рис. 1.5.22. Фотодиоды

Фотодиод предназначен для преобразования световой энергии или энергии инфракрасного излучения в электрическую энергию. Используется в различных датчиках и оптронах (рис. 1.5.22.).

Разновидности и области применения полупроводниковых диодов

В зависимости от типа используемых полупроводников и степени их легирования можно создать диоды, обладающие характерными особенностями и имеющие определенное функциональное назначение.

Рассмотрим особенности различных типов диодов (см. рис. 1.4, в), их параметры и области применения.

Выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления низкочастотного переменного тока, используются в устройствах питания. Существуют кремниевые, германиевые и селеновые плоскостные диоды (сплавные и диффузные). Условия применения выпрямительных диодов определяют предельные значения их параметров:

максимальный средний прямой ток Iпр max;

максимальный импульсный прямой ток Iи.пр max;

максимальное обратное напряжение Uобр max;

среднее за период значение обратного тока Iобр при заданном обратном напряжении Uобр.

Мощные выпрямительные диоды пропускают прямой ток до 1500 А, а высоковольтные кремниевые диоды выдерживают обратное напряжение до 1600 В. Для отвода тепла мощные диоды монтируются на металлических радиаторах, имеющих большую поверхность и высокую теплопроводность.

Высокочастотные диоды (детекторные, смесительные и модуляторные) применяют для детектирования маломощных ВЧ сигналов. В этом случае существенное значение имеет собственная емкость диода, для уменьшения которой используется контактная технология, позволяющая формировать небольшую базовую область р-п-перехода в месте контакта острия вольфрамовой иглы с полупроводником. Эта технология заключается в следующем: мощный импульс тока разогревает место контакта, возникает диффузия вольфрама в полупроводник и после его охлаждения образуется небольшая область перехода. Емкость такого диода, составляющая десятые доли пикофарад (пФ), обеспечивает диапазон рабочих частот 300ѕ600 МГц. Точечные диоды на более высокие частоты изготавливают с использованием прижимного контакта металл—полупроводник без разогревания. Такие диоды могут работать при частотах до 20 ГГц.

Основными характеристиками ВЧ диодов являются: предельная частота, дифференциальное прямое сопротивление переменному току Rд = DUпр/DIпр (гдеDUпри DIпр— изменения прямых напряжения и тока) и емкость диода Сд. Остальные их параметры аналогичны параметрам низкочастотных выпрямительных диодов.

Импульсные диоды (мезодиоды, диоды с накоплением заряда, диоды Шоттки) работают в режиме электронного ключа в импульсных схемах, т.е. у них имеется два состояния: открыто—закры­то. При этом в открытом состоянии диод должен иметь малое сопротивление, а в закрытом — большое. Быстродействие импульсных схем определяется временем перехода диода из одного состояния в другое. Условия применения импульсных диодов определяют предельные значения их параметров:

Читайте так же:
Применение труб по гост 3262 75

максимальный выпрямленный ток Iпр max;

максимальный импульсный прямой ток Iи.пр max;

максимальное обратное напряжение Uобр max;

максимальный обратный ток Iобр max;

прямое импульсное напряжение на диоде при заданном импульсе прямого тока;

емкость Сд;

время включения tвкл;

время восстановления обратного сопротивления tвос.

В мезодиодах р-п-переход формируется путем травления полупроводника.

В диодах с накоплением зарядов р-n-переход формируется мето­дом диффузии, благодаря чему в приповерхностном слое создается большой градиент концентрации примеси. В результате возника­ет электрическое поле, направленное в сторону возрастания концен­трации примеси, обеспечивающее накопление зарядов вблизи границы р- и п-областей, что ускоряет переходные процессы.

Диоды с накоплением заряда способны накапливать и удерживать заряд в потенциальных ямах. Они используются как элементы задержки включения за счет наличия стадии рассасывания зарядов, а также как элементы памяти. С их помощью формируют задер­жку в слаботочных импульсных приборах. На их основе созданы приборы с зарядовой связью: ПЗС-линейки и ПЗС-матрицы. Послед­ние используются как быстродействующие запоминающие устройства и элементы памяти.

Диоды Шоттки работают на основе перехода металл—n-полупроводник. При этом металл имеет работу выхода больше, чем полупроводник n-проводимостью. На границе раздела формируется контактный выпрямляющий переход.

Прямой ток возникает за счет основных носителей зарядов металла (электронов). В отличие от обычных диодов накопления зарядов в переходе диода Шоттки не происходит, т.е. эти диоды имеют малую емкость р-n-перехода (Сp-n < 1 пФ) и у них нет стадии рассасывания зарядов. Благодаря этому диоды Шоттки обладают высоким быстродействием и могут работать на частотах до 10 ГГц. Вместе с тем они характеризуются малыми токами и имеют малое обратное напряжение пробоя.

Диоды Шоттки нашли широкое применение в транзисторных клю­чевых схемах. Транзисторный ключ в сочетании с диодом Шоттки имеет повышенное быстродействие и называется транзисто­ром Шот­тки. Это сочетание часто применяется в логических микросхемах.

Стабилитрон — полупроводниковый плоскостной диод из сильно­легированного кремния. ВАХ стабилитрона имеет вид кривой 1, представленной на рис. 1.4, б. На участке электрического пробоя дифференциальное сопротивление Rд=dU/dI очень мало. Резкий рост обратного тока наблюдается вблизи значения обратного напряжения, равного Uпроб. Поскольку вблизи Uпробмалое изменение обратного напряжения соответствует большому изменению обратного тока, напряжение пробоя называют напряжением стабилизации Uст. Основными параметрами стабилитронов являются:

напряжение стабилизации Uст;

дифференциальное сопротивление Rдпри напряжении Uст;

температурный коэффициент напряжения стабилизации

a = (DUст/Uст)/DT

(где DUст— изменение напряжения стабилизации при изменении температуры DT);

минимально допустимый ток стабилизации Imin, при котором Uстнаходится в заданных пределах;

максимально допустимый ток стабилизации Imax;

максимально допустимая рассеиваемая мощность Рр max.

Стабилитроны применяют в устройствах питания для стабилизации напряжения (см. гл. 4). В зависимости от структуры, состава и конструкции стабилитроны имеют разные значения напряжения стабилизации. Имея разные номиналы, они обеспечивают диапазон стабилизации напряжения в блоках питания от 3 до 200 В. Стабилизация осуществляется при обратном напряжении на стабилитроне, и идет она тем лучше, чем круче кривая зависимости тока от напряжения и соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление.

Варикап — полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости протяженного и слаболегированного р-п-перехода от обратного напряжения. Емкость варикапа с увеличением обратного напряжения уменьшается примерно от 500 до 50 пФ.

Варикапы — это диоды с низколегированной областью между п- и р- областями. При обратном включении такого диода его емкость изменяется пропорционально напряжению. Варикапы используются в колебательных контурах с управляемой резонансной частотой в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн СВЧ (от 300 МГц до 30 ГГц). Наиболее часто варикап используется для формирования радиосигналов с линейной частотной модуляцией.

Туннельными являются диоды с высокой концентрацией легирующих присадок и узкими p-n-переходом и запрещенной зоной. В p-n-переходе такого диода при прямом включении возникают высокие напряжения, и электроны туннелируют в р-область. Туннельный эффект состоит в способности заряженной частицы проникнуть за потенциальный барьер даже в том случае, если ее энергия ниже потенциального барьера.

В сильных электрических полях вблизи границы раздела р- и п-областей туннельных диодов может образоваться тонкий потенциальный барьер, через который с определенной вероятностью электроны проходят без изменения собственной энергии благодаря туннельному эффекту. Формируемая в результате N-образная ВАХ с ниспадающим участком и отрицательной дифференциальной проводимостью позволяет использовать туннельные диоды в качестве генераторов СВЧ колебаний на частотах от 10 до 100 ГГц.

Светодиод излучает свет при прохождении прямого инжекционного тока. Этот ток называется инжекционным, так как при нем происходит впрыскивание электронов из п-области в р-п-переход. Излучение света связано с рекомбинацией носителей зарядов (электронов и дырок), а также с возбуждением валентных электронов атомов р-области электронами, проникающими через р-п-переход. Основными характеристиками светодиодов являются предельные ток и напряжение питания, крутизна ВАХ и квантовый выход (отношение потребляемой мощности к мощности излучения).

Фотодиоды создаются на основе использования эффекта возбуждения электронов полупроводника квантами света. Если р-п-переход осветить светом, то в нем возникают носители зарядов (электроны и дырки), увеличивающие прямую и обратную прово­димости. Наиболее чувствительными являются фотодиоды, основан­ные на изменении собственной проводимости полу­про­вод­никовых структур, и лавинные фотодиоды. В средней части p-i-п-структуры фотодиода находится полупроводник без приме­сей, обладающий слабой собственной проводимостью. Однако его проводимость резко возрастает под действием света, и при подаче прямого или обратного напряжения на фотодиод возникает ток, пропорциональный интенсивности поданного света.
В лавин­ных фотодиодах используются более сложные полупроводниковые структуры и более высокие напряжения (около 100 В). Возни­кающие под действием света возбужденные электроны ускоря­ются электрическим полем и, соударяясь с атомами полупроводника, вызывают лавинный поток вторичных электронов.

Читайте так же:
Ресанта тдп 20000 ремонт своими руками

Основными характеристиками фотодиодов являются пороговая чувствительность (минимальная мощность излучения, регистри­руемая фотоприемником), чувствительность (отношение изменения тока или напряжения на выходе фотоприемника к мощности на входе) и время срабатывания или предельная частота воспроизведения входного сигнала.

Полупроводниковые диоды широко используются в электронной технике. Их применяют как смесители частот сигнала и гетеродина в супергетеродинных схемах, для детектирования радиосигналов, выпрямления переменного напряжения (выпрямители), селекции импульсов определенной полярности (импульсные диоды), стабилизации напряжения (стабилитроны), в качестве управ­ляемой напряжением емкости (варикапы) и т.п.

Туннельные диоды с N-образной ВАХ и диоды с S-образной ВАХ используются для генерации СВЧ колебаний.

Существуют и специализированные диоды – диоды Гана и обращенные диоды, используемые в СВЧ генераторах и усилителях.

Используют и такие специализированные полупроводниковые устройства варисторы и термисторы. В термисторах, в отличие от резисторов сопротивление при нагреве падает. Поэтому их используют в качестве компенсаторов температурного изменения в резисторах.

В импульсной технике широкое распространение получили диодные электронные ключи, работающие по принципу включено — выключено (ток есть — тока нет). Применяются последовательные и парал­лельные схемы диодных ключей. В схемах последовательных диодных ключей диод пропускает ток только в одном направ­лении (от плюса к минусу) как в выпрямителях (см. гл. 4). При параллельном соединении используются стабилитроны (см. раздел 4.3).

Биполярные транзисторы

Транзисторы — это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подобные электровакуумному триоду, предназначенные для усиления тока или напряжения. Различают биполярные транзисторы, обычно называемые просто транзисторами, полевые транзисторы и фототранзисторы.

Биполярный транзистор — это прибор, составленный из полупроводников с двумя рп-переходами и имеющий три вывода: эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К). Существуют два типа биполяр­ных транзисторов: прп-транзисторы (рис. 1.5, а) и рпр-транзисторы (рис. 1.5, б). Принципы их работы аналогичны, отличаются они количеством и порядком расположения полупроводников с р— и п-проводимостями, а также полярностью подаваемого постоянного напряжения смещения.

Рис. 1.5. Структуры и УГО биполярных транзисторов п-р-п- (а) и р-п-р-типа (б)

Рассмотрим работу транзистора прп-типа (рис. 1.6, а) при подаче напряжения смещения на базу. Переход база—эмиттер (или просто эмиттерный переход) такого транзистора смещен в прямом направлении напряжением UБ-Э, поэтому электроны из области эмиттера перетекают через этот переход в область базы, создавая ток IБ. Это обычный прямой ток рп-перехода, смещенного в прямом направлении. Как только электроны попадают в область базы, они начинают испытывать притяжение положительного потенциала коллектора. Если область базы сделать очень узкой, то почти все эти электроны пройдут через нее к коллектору, и только очень малая их часть соберется базой, формируя базовый ток IБ. Фактически более 95% всех электронов эмиттерного тока IЭсобирается коллектором, формируя коллекторный ток IК транзистора. Таким образом, IЭ= IБ+ IК.

Так как базовый ток IБочень мал (чаще всего он измеряется микроамперами), то им обычно пренебрегают. Тем самым предполагают, что токи эмиттера и коллектора равны, и каждый из них называют током транзистора.

Рис. 1.6. Схемы протекания тока в п-р-п- (а) и р-п-p-транзисторах (б) при подаче напряжения смещения на базу

Отметим, что переход база—коллектор (или просто коллекторный переход) смещен в обратном направлении напряжением UБ-К. Это необходимое условие работы транзистора, поскольку в противном случае электроны не притягивались бы к коллектору. При этом в соответствии с правилом выбора направления тока (от положительного потенциала к отрицательному) считается, что ток транзистора течет от коллектора к эмиттеру.

В рпр-транзисторах полярность подаваемого напряжения смещения должна быть обратной (рис. 1.6, б). В этом случае ток транзистора будет представлять собой перемещение дырок от эмиттера к коллектору или электронов от коллектора к эмит­теру.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Полупроводниковые диоды (4)

В представленном реферате рассмотрены основные вопросы связанные с диодами их свойствами и их видами.

Рис.: 2.Табл. 0, Библ.: 3 назв.

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ …………………………………………

1.1 Общие сведения о полупроводниковых диодах……………………………..

1.2 Рабочий интервал температур……………………………………………….

1.3 Допустимое обратное напряжении…………………………………………..

1.4 Допустимый выпрямленный ток……………………………………………..

1.5 Предельно допустимая мощность рассеивания……………………………..

2. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ……………………………………………….

2.1 Высокочастотные полупроводниковые диоды………………………………

2.2 Туннельные диоды…………………………………………………………….

2.3 Стабилитроны………………………………………………………………….

2.4 Варикапы……………………………………………………………………….

3. НАХОЖДЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОГО ОБРАТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА ПРОБОЯ ………………………………………………………………….

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………..

Полупроводниковый диод представляет собой двухэлектродный прибор, действие которого основано на использовании электрических свойств p-n перехода или контакта металл-полупроводник. К этим свойствам относятся: односторонняя проводимость, нелинейность вольтамперной характеристики, наличие участка вольтамперной характеристики, обладающего отрицательным сопротивлением, резкое возрастание обратного тока при электрическом пробое, существование емкости p-n перехода. В зависимости от того, какое из свойств p-n перехода используется, полупроводниковые диоды могут быть применены для целей выпрямления, детектирования, преобразования, усиления и генерирования электрических колебаний, а также для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и в качестве переменных реактивных элементов.

Читайте так же:
Что произойдет если трансформатор рассчитанный на напряжение

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

1.1 Общие сведения о полупроводниковых диодах.

Полупроводниковый диод (ПД) представляет собой двухэлектродный прибор, действие которого основано на использовании электрических свойств p-n перехода или контакта металл-полупроводник. К этим свойствам относятся: односторонняя проводимость, нелинейность вольтамперной характеристики, наличие участка вольтамперной характеристики, обладающего отрицательным сопротивлением, резкое возрастание обратного тока при электрическом пробое, существование емкости p-n перехода. В зависимости от того, какое из свойств p-n перехода используется, полупроводниковые диоды могут быть применены для целей выпрямления, детектирования, преобразования, усиления и генерирования электрических колебаний, а также для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и в качестве переменных реактивных элементов.

В большинстве случаев ПД отличается от симметричного p-n перехода тем, что p- область диода имеет значительно большее количество примесей, чем n- область (несимметричный p-n переход ), т.е. . В этом случае n- область носит название базы диода. При подаче на такой переход обратного напряжения ток насыщения будет состоять почти только из потока дырок из базы в p- область и будет иметь меньшую величину, чем для симметричного перехода. При подаче прямого напряжения прямой ток тоже почти полностью будет состоять из потока дырок из p- области в базу и уже при небольших прямых напряжениях будет возрастать экспоненциально (уравнение в/а характеристики p-n перехода имеет вид:

Применение ПД для тех или иных целей определяет требования, предъявляемые к его характеристикам, к величинам преобразуемых мощностей, токов и напряжений. Эти требования могут быть удовлетворены с помощью соответствующего выбора материала, из которого изготовляется диод, технологией изготовления p-n перехода и конструкцией диода. В соответствии с этим ПД разделяются ряд основных типовых групп. Существующая классификация подразделяет ПД следующим образом:

— по назначению (выпрямительные, детекторные, преобразовательные, стабилитроны, варикапы и др.);

— по частотным свойствам (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ);

— по типу перехода (плоскостные, точечные);

по исходному материалу (германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и т.д.);

Кроме того существует разделение ПД внутри одной группы в соответствии с электрическими параметрами. Кроме специфических параметров, характеризующих данную типовую группу, существуют параметры общие для всех ПД независимо от их специального назначения. К ним относятся: рабочий интервал температур, допустимое обратное напряжение, допустимый выпрямленный ток, допустимая мощность рассеивания.

1.2 Рабочий интервал температур.

При повышении температуры растет собственная электропроводность проводника (увеличивается генерация пар носителей заряда электрон-дырка), растет ток насыщения и растет вероятность пробоя p-n перехода.

Максимально допустимая температура перехода тем больше, чем шире запрещенная зона полупроводника. Так для германиевых диодов допустимый интервал температур окружающей среды лежит в пределах , а для кремниевых в пределах . При понижении температуры увеличивается сопротивление диода как прямое, так и обратное, а также появляется вероятность механических повреждений кристалла из-за увеличивающейся хрупкости.

1.3 Допустимое обратное напряжение

Обычно за допустимое обратное напряжение принимается величина:

где — напряжение, при котором возникает пробой p-n перехода.

Значение зависит от температуры и от удельного сопротивления полупроводника . Последнее объясняется тем, что напряженность поля p-n перехода, а значит и напряжение пробоя зависят от ширины перехода, которая в свою очередь зависит от концентрации примесей, т.е. от удельного сопротивления полупроводника. Так как p-n переход тем шире, чем больше удельное сопротивление полупроводника, то и будет тем больше, чем больше удельное сопротивление исходного материала.

Если требуется получить большое выпрямленное напряжение, при котором к диоду будет приложено обратное напряжение большее, чем допустимое, применяют последовательное включение диодов. Так как величины обратных сопротивлений диодов не одинаковы, то обратные напряжения при последовательном включении распределяются между диодами неравномерно и диод, имеющий большее обратное сопротивление, может быть пробит. Во избежание этого каждый из последовательно включенных диодов шунтируют сопротивлением такой величины, чтобы распределение напряжений на диодах в основном определялось этими сопротивлениями.

1.4 Допустимый выпрямленный ток

Так как при протекании тока возрастает температура перехода, то величина допустимого тока ограничивается допустимой температурой перехода. Для того, чтобы получить выпрямленный ток больше допустимой величины, можно включить несколько диодов параллельно. Так как диоды обладают разным прямым сопротивлением, то токи распределяются равномерно и может оказаться, что ток, протекающий через диод с наименьшим сопротивлением, превысит допустимое значение. Во избежание этого последовательно с каждым из диодов включается сопротивление.

1.5 Предельно допустимая мощность рассеивания

Предельно допустимая мощность рассеивания зависит от конструкции диода, так и от температуры окружающей среды, т.е. от условий охлаждения.

Диоды (часть 1). Устройство и работа. Характеристики и особенности

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Diody ustroistvo

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:
  • Корпус . Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
  • Катод . Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
  • Подогреватель . Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
  • Анод . Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
  • Кристалл . Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.
Читайте так же:
Снежный отвал для мотоблока своими руками

Diody na skheme

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Diod sostoianie pokoia

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Diod obratnoe vkliuchenie

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Diod priamoe vkliuchenie

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Diody grafik

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector