Преподаватель Гребнева В.В.

Слайд- лекция на тему: «Полупроводниковые

диоды»

Основное понятие.Устройство.Принцип действия.ВАХ и параметры.Виды полупроводниковых диодов.Обозначение.Маркировка.Применение.

План:

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами . В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.

Основное понятие.

Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки).Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В (MBR40250 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Различают два вида диодов: точечные и плоскостные.

Точечные диоды.В стеклянном или металлическом корпусе находится кристалл германия или кремния (n-типа) площадью 1 мм² и толщиной 0,6 мм, к которому прижимается стольная или бронзовая игла, легированная акцепторной примесью (p-типа). В процессе формировки через контакт иглы с кристаллом, пропускают мощные импульсы тока при этом кончик иглы оплавляется и примесь проникает в кристалл, следовательно, вокруг иглы образуется точечная область с дырочной электропроводностью. На границе с этой областью с кристаллом возникает p-n переход. Точечные диоды крепятся на монтажную панель, с помощью – пайки.

Устройство.

Плоскостные диоды.В металлическом корпусе находятся два

кристалла различной электропроводности, граница p-n перехода достигает 10-100 мм². p-n переход образуется методом сплавления или диффузии. Мощные плоскостные диоды расчитаные на большие токи, размещают в массивных металлических корпусах (иногда эти корпуса устанавливаются в радиаторы) обеспечивающие теплопровод. На монтажную. Панель крепятся: плоскостные диоды – с помощью массивных шайб и гаек.

В силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

ВАХ и параметры:

Vϒ - напряжение порога проводимости При прямом включении напряжение на диоде должно

достигнуть определенного порогового значения - Vϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. Vϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

ID_MAX - максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока ID_MAX. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

IOP – обратный ток утечкиПри обратном включении диод не является абсолютным

изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока IOP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV - Напряжение пробояПри обратном включении диод способен выдерживать

ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

Туннельные диоды.Туннельные диоды выполняются из полупроводников с

большим количеством примесей (вырожденные полупроводники). Вольтамперная характеристика p-n перехода, выполненного на основе вырожденных полупроводников, имеет область с отрицательным сопротивлением, на котором при увеличении напряжения протекающий ток уменьшается. Элемент, обладающий отрицательным сопротивлением, не потребляет электрическую энергию, а отдает ее в цепь, т.е. является активным элементом цепи. Наличие падающего участка вольтмаперной характеристики позволяет применять туннельные диоды в качестве генераторов и усилителей электрических колебаний широкого диапазона частот, включая СВЧ, и в качестве высокоскоростных переключателей.

Виды полупроводниковых диодов.

Туннельные диоды выполняются из вырожденных полупроводников, главным образом из германия, кремния и арсенида галлия. Т.к. для туннельного перехода носителей сквозь потенциальный барьер p-n переход должен быть узким и резким, то p-n переходы туннельного диода изготавливают методом вплавления. Кроме того, применяется метод эпитаксиального наращивания вырожденных слоев, который также позволяет получить резкие переходы. Для уменьшения емкости (а, следовательно, для повышения верхней граничной частоты, на которой туннельный диод может работать как активный элемент с отрицательным сопротивлением) применяется метод получения p-n переходов малой площади.

Стабилитроны.Обратная ветвь ВАХ, показанной на рис.2.1а, т.е. явление пробоя p-n

перехода, можно использовать для целей стабилизации напряжения, пользуясь тем обстоятельством, что до тех пор пока пробой носит электрический характер характеристика пробоя полностью обратима. Полупроводниковые диоды, служащие для стабилизации напряжения, называются стабилитронами.

Как видно из характеристики, в области пробоя незначительные изменения обратного напряжения приводят к резким изменениям величины обратного тока. Предположим, что диод, имеющий такую характеристику, включен в простейшую схему, показанную на рис.2.1б, причем рабочая точка находится в той области в/а характеристики, где при изменении тока напряжение практически остается постоянным.

В этом случае, если изменяется входное напряжение U, то изменяется ток в цепи, но т.к. напряжение на диоде при изменении тока остается постоянным (изменяется сопротивление диода), то и напряжение в точках а,б - постоянно. Если параллельно к диоду к точкам а,б подключить сопротивление нагрузки, то напряжение на нагрузке тоже не изменится.

Рис. 2.1 а ВАХ стабилитрона, б принципиальная схема стабилитрона напряжения

Стабилитроны изготовляются из кремния. Это связано с тем, что в стабилитронах может быть использована только электрическая форма пробоя, которая является обратимой. Если пробой перейдет в необратимую тепловую форму, то прибор выйдет из строя.

Варикапы.Действие варикапов основано на использовании емкостных свойств р-n

перехода.

Варикапы могут быть использованы для различных целей как конденсаторы с переменной емкостью. Иногда их используют в параметрических усилителях. В принципе работы параметрического усилителя лежит частичная компенсация потерь в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности L и конденсатора C, при периодическом изменении емкости конденсатора или индуктивности катушки (при условии, что изменение будет происходить в определенных количественных и фазовых соотношениях с частотой колебаний контура). В этом случае увеличение мощности электрических колебаний (сигнала) происходит за счет энергии того источника, который будет периодически изменять величину реактивного параметра. В качестве такого переменного реактивного параметра и используется варикап, емкость которого меняется в результате воздействия гармонического напряжения подаваемого от специального генератора накачки. Если с помощью варикапа и генератора накачки полностью скомпенсировать все потери контура, т.е. довести его до состояния самовозбуждения, то такая система носит название параметрического генератора.

Обозначение.Диод Шоттки

Стабилитрон ВарикапФотодиод

Туннельный диод

Обращённый диод

Маркировку диодов осуществляются с помощью цифр и букв. Первая цифра или буква обозначает материал полупроводникового кристалла. Цифрой 1 или буквой Г обозначают германий; цифрой 2 или буквой К кремний, цифрой 3 или буквой А – арсенид гелия. На втором месте ставят букву, обозначающую класс диода. Д выпрямительный; А – СВЧ-диод, В – варикап; С – стабилитрон; И – туннельный диод. Три последующие цифры характеризуют тип или область применения прибора: если цифры лежат в пределах 101-399, то диод предназначен для выпрямления переменного тока, если в пределах 401-499, то для работы в высокочастотных и сверхвысокочастотных цепях, если в пределах 501-509, то работы в импульсных схемах, диоды, маркируемые цифрами 601-699, используют в качестве конденсаторов с регулируемой емкость (варикапы). Последняя буква указывает на некоторые конструктивные или другие особенности диода(разновидность прибора).

Например: маркировка КС196В расшифровывается следующим образом, кремниевый стабилитрон плоскостного типа, разновидность В.

Маркировка.

Применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно. Рассмотрим наиболее характерные случаи.

Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называют выпрямительными. Плоскостные диоды малой и средней мощности широко используются в схемах питания радиоаппаратуры, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производстве.

Применение.

Закрепление материала по теме: «Полупроводниковые диоды» Полупроводниковый диод —

это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода (незначительная коррекция данного определения может понадобиться лишь для очень узкого круга приборов, например, для некоторых диодов СВЧ и прецизионных стабилитронов

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода (незначительная коррекция данного определения может понадобиться лишь для очень узкого круга приборов, например, для некоторых диодов СВЧ и прецизионных стабилитронов

В зависимости от области применения полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы:

выпрямительные,универсальные,импульсные,сверхвысокочастотные,стабилитроны,варикапы,туннельные,обращенные,фотодиоды,светоизлучающие диоды,генераторы шума,магнитодиоды.

В технологии изготовления диодов определяющей является методика внесения примесей в полупроводник, а также способ соединения кристалла полупроводника с металлическими контактами. Существует большое количество возможных форм исполнения самых разнообразных переходов, которые обладают множеством разнообразных свойств. Эти свойства могут использоваться для создания полупроводниковых диодов различного принципа действия и конструкции. Многие из таких диодов имеют свои исторически-сложившиеся названия, которые могут характеризовать конструкцию диода, физический эффект, определяющий характеристики диода, и т.д. (лавинно-пролетные диоды, туннельные диоды, диоды Шоттки, диоды Ганна, варакторы, диоды с накоплением заряда, ...).Часто эти группы диодов отличаются областью применения и/или маркировкой.

Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс - к аноду, минус - к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.

Вот так это выглядит награфике:

Такая модель диода использует-ся в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике

Основные параметры полупроводниковых диодов

Вольт - амперная характеристика стабилитрона (а) и схема параметрического стабилизатора напряжения (б).