ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Электроника

Автор Останин Б.П. Конец слайда

Полупроводниковые диоды. Слайд 1. Всего 54

А К

Основное обозначение

)(ei=i T

u

s 1

Формула для идеального диода

На реальную прямую ветвь влияют:1. сопротивления слоёв полупроводника (особенно базы);2. сопротивления контактов металл-полупроводник.

Из-за этого напряжение на реальном диоде при заданном токе несколько больше (обычно на доли вольта), чем следует из формулы.



is - ток насыщения (тепловой ток)

Полупроводниковые диоды

Реальная обратная ветвь. Основные причины того, что реально обратный ток обычно на несколько порядков больше тока is:

1. термогенерация носителей непосредственно в области p-n перехода;2. поверхностные утечки.

Для ориентировочных расчётов:

ток is удваивается примерно на каждые 5С;ток термогенерации примерно на каждые 10С.

При температуре около 100С ток is сравнивается с током термогенерации.




Поверхностные токи утечки часто составляют подавляющую долю обратного тока. Причины:

1. поверхностные энергетические уровни, обеспечивающие активные процессы генерации и рекомбинации;

2. молекулярные и ионные плёнки, шунтирующие p-n переход.




RORП

СБАР

СВ

СДИФ

LВ

RO RП ROБР

RO RП

СДИФ

ROБР

СБАР




Рабочий режим диода

uД uH

VD RH

u

i

0=u+u+u ДН

i Д= i H = i=u Н

RH

=u−u Д

RH



ДН u+uu

ДДН u+iRu

Линия нагрузки

При uД = 0 ток

i Д= i H = i=u Н

R H

=u−u Д

R H

= u−0R H

= uR H

При uД = u ток

i Д= i H = i=u Н

R H

=u−u Д

R H

= u−uR H

=0

Получились две точки с координатами

0=u Дi= u

RH

Точка А

u=u Дi=0Точка Б



u

iПР

0

iн

uД uH

u

A

Б

Р

HR

u



iД = iН

Линия нагрузки

Математические модели диодов

Математическая модель – это совокупность эквивалентной схемы и математических выражений, описывающих элементы эквивалентной схемы. Пример модели (используется в программе MicroCap-2). Модель универсальная. Хорошо моделирует диод как в статическом режиме, так и в динамическом. Учитывает влияние температуры.

А К

R

C

iУ

А К

Сопротивление R введено в схему с целью учёта тока утечки.Ёмкость С моделирует барьерную и диффузионную ёмкости диода. Управляемый источник iУ моделирует статическую ВАХ диода.



При ориентировочных расчётах часто пользуются кусочно-линейной аппроксимацией ВАХ диода.



u

i

0

i0 u0

i2

i1

Аппроксимированная ВАХ диода

Эквивалентные схемы для прямой и обратной аппроксимированных ветвей диода.

rДИФ. ОБР.

i0А К

rДИФ. ПР.

u0

А К



Рассчитаем ток и напряжение в простейшей схеме постоянного тока

UД UR

VD RH

U

I

Эквивалентная схема

UR

u0 RH

U

I rДИФ. ПР.

UД



UR

u0 RH

U

I rДИФ. ПР.

UД

ДН U+U=U 0.. u+)Ir+(R=U ПРДИФН

..

0

ПРДИФН r+R

uU=I

..

0

ПРДИФНННД r+R

uURU=UU=U

..

0

ПРДИФНННН r+R

uUR=IR=U



При приближённом анализе можно пренебречь величинами rДИФ. ПР и u0 (получится «закоротка»), а также пренебречь обратным током i0 и сопротивлением rДИФ. ОБР (заменить разрывом).

i

0 u

ВАХ реального диода

ВАХ идеального диода

Схема идеального диода в прямом направлении

Схема идеального диода в обратном направлении



rДИФ. ПР = 0, u0 = 0

А КА К

i0 = 0, rДИФ. ОБР =

А КА К

Работа диода в импульсном режиме (при резком переключении)

u1 u2

SA

R

VD uД

Считаем, что напряжения u1 и u2 значительно больше прямого падения напряжения на диоде. Тогда

i 1=u 1

R

Сразу после переключения ключа SA в течение времени рассасывания tРАС протекает ток

i 2=−u 2

R



За время tРАС в базе рассасывается заряд, накопленных при протекании тока i1 неравновесных носителей заряда. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмиттер.

По истечении tРАС концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n перехода становится равновесной. В глубине же базы неравновесный заряд ещё существует. Длительность tРАС прямо пропорциональна среднему времени жизни неосновных носителей в базе и зависит от соотношения токов i1 и i2. Чем больше по модулю ток i2, тем меньше, при заданном токе i1, время рассасывания.



t0

uД

u1

u2

t1 t2 t3

tРАС tСП

tВОС

iОБР УСТ

t0

t1 t2 t3

i1

i2

i3

i

t0

t1

u1

u2

u



Разновидности полупроводниковых диодов

Выпрямительные диоды. Выпрямление переменного тока один из основных процессов в радиоэлектронике.

А К



VD

RHuВЫХuВХ

ТР



VD

RH uВЫХ

uВХ

ТР

uВХ

0

t

uВЫХ

0

t

ud

0

id

0

U0

t

t

Однополупериодный выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель

uВЫХ = uH, id = iH



RHuВХ uВЫХ

VD2VD1

VD3 VD4

Стабилитрон. Это полупроводниковый прибор, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя.

В стабилитронах может иметь место и туннельный и лавинный и смешанный пробой в зависимости от сопротивления базы. В стабилитронах с низкоомной базой имеет место туннельный пробой (низковольтный - до 5,7 В), а в стабилитронах с высокоомной базой (высоковольтных) – лавинный пробой.




Пример. ВАХ кремниевого стабилитрона Д814Д.

-4-8-12-16

-10

-20

-30

-40

0

u, В

i, мA

100°С

25°С

-55°С

Стабилитрон

UСТ - напряжение стабилизации при заданном токе в режиме пробоя;

IСТ. МИН - минимально допустимый ток стабилизации;IСТ. МАКС - максимально допустимый ток стабилизации;rСТ - дифференциальное сопротивление стабилитрона на

участке пробоя;

Uст - температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) - это отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры при постоянном токе стабилизации.



Основные параметры стабилитрона:


Пусть при температуре t1 напряжение стабилизации было равно UСТ1. Тогда при температуре t2

)t(tαU+U=UСТUСТСТСТ 21112

У стабилитронов с туннельным пробоем ТКН отрицателен.У стабилитронов с лавинным пробоем ТКН положителен.

Иногда стабилитрон с лавинным пробоем включают последовательно с диодом, работающем в прямом направлении. У диода ТКН отрицательный и он компенсирует положительный ТКН стабилитрона.




Пример. Для стабилитрона Д814Д при 25°С:IСТ. МИН = 3 мА;IСТ. МАКС = 24 мА;rСТ - не более 18 Ом;Uст - не более 0,00095 на 1°С.

Пример применения. Параметрический стабилизатор

UR VD

R

UВХ

I

UВЫХ

В режиме пробоя отсутствует инжекция неосновных носителей, и поэтому нет накопления избыточных зарядов. Вследствие этого стабилитрон является быстродействующим прибором и хорошо работает в импульсных схемах.


Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений.




Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется выпрямляющий контакт металл-полупроводник.

Зона проводимости

Уровень Ферми полупроводника

М П

FМ

FП

З

Уровни доноров

Металл Полупроводник n- типа

Уровень вакуума

Валентная зона

Уровень Ферми металла




М

П

FМ

FП

З

Уровни доноров

Металл Полупроводник n- типа

Уровень вакуума

Валентная зона

Зона проводимости

Уровень Ферми металла

Уровень Ферми полупроводника



Диод Шоттки

Если подключить источник внешнего напряжения плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику n- типа, то потенциальный барьер понизится и через переход начнёт протекать прямой ток. При противоположном подключении потенциальный барьер увеличивается, и ток оказывается очень малым.




У диодов Шоттки отсутствует инжекция неосновных носителей заряда, а, следовательно и явления накопления и рассасывания заряда, поэтому диоды Шоттки – очень быстродействующие приборы. Они могут работать на частотах до десятков ГГц. У диода Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое напряжение (при малых прямых токах) – около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых диодов.

Максимальный прямой ток – сотни ампер, максимальное обратное напряжение – сотни вольт.




Пример. Кремниевый диод с барьером Шоттки КД923А.

IПР. МАКС = 100 мА;UОБР. МАКС = 14 В (при t 35°C);Время жизни носителей заряда – не более 0,1 нс;Постоянный обратный ток при UОБР = 10 В и при t = 25°C – не более 5 мкА.




Варикап. Прибор, ёмкость которого управляется напряжением. На варикап подают обратное напряжение. Барьерная ёмкость варикапа уменьшается при увеличении обратного напряжения. Характер изменения ёмкости у варикапа такой же, как и у обычного диода.




Пример. График общей ёмкости диода 2Д212А от обратного напряжения. У этого диода:

максимальный постоянный (средний) ток – 1А;максимальное постоянное (импульсное) обратное напряжение 200 В.СД – общая ёмкость диода.

-100 -80 -60 -40 -20 0

50

100

150

200

СД, пФ

u, В



Варикап

Туннельный диод. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви ВАХ участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Пример. Туннельный диод 1И104А, предназначен для усиления в диапазоне длин волн 2…10 см (частота более 1ГГц).

IПР. МАКС = 1 мА;UОБР. МАКС = 20 мВ




iПР, мА

uПР, В

1,6

1,2

0,8

0,4

00,1 0,2 0,3 0,4 0,5

1И104А

Общая ёмкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ.

Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать туннельный диод в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов (именно в этом качестве они используются в области СВЧ).

Туннельный диод

Обращённый диод. Физические явления в нём подобны явлениям в туннельном диоде. При этом участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ отсутствует или очень слабо выражен.

Обратная ветвь ВАХ обращённого диода отличается очень малым падением напряжения и используется в качестве прямой ветви, а прямая ветвь в качестве обратной ветви (отсюда название).




Пример. ВАХ обращённого диода 1И401А, предназначенного, кроме прочего, для работы в импульсных устройствах. У этого диода:

постоянный прямой ток - не более 0,3 мА;постоянный обратный ток - не более 4 мА при t 35°C;общая ёмкость в точке минимума ВАХ 1,2…1,5 пФ.



Обращённый диод

IОБР, A

+25°С

+70°С

-60°С

0,1

0,1

0,2

0,2

0,3

0,3

0,4

0,4

0,5

0,5

0,6

0,60,10,2

02

4

6

8

UПР, В

IПР, мA

1И401А



Обращённый диод

Последовательное включение диодов

Обратные сопротивления однотипных диодов могут отличаться в десятки раз.

Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения составляет 1000 В. В наличии имеются диоды с UОБР

МАКС = 400 В. Следовательно нужно не менее трёх диодов.

VD1 VD2

А К

VD3



Предположим, что RОБР1 = 1 Мом, RОБР2 = 1 Мом, RОБР3 = 3 Мом. Тогда UОБР1 = UОБР2 = 200 В, а UОБР3 = 600 В. Третий диод будет пробит. Всё напряжение приложится к оставшимся двум диодам – по 500 В. Сгорят за доли секунды.




Диоды шунтируют, например сопротивлениями RШ = 100 кОм. Тогда обратное напряжение распределится практически равномерно между диодами.

А К

VD1

RШ1

VD2

RШ2

VD3

RШ3




Параллельное включение диодов

Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки процентов.

Пусть имеются два диода с допустимым прямым током 0,2 А, включённые параллельно, так как нужно получить ток 0,4 А.

А К

VD1

VD2



uПР, В

i

0

0,1

0,2

0,3

0,4 0,5

При токе 0,2 напряжение на первом диоде (красный) равно 0,4 В, на втором диоде (синий) при этом же напряжении ток равен всего 0,05 А. Увеличивать напряжение нельзя, так как у первого диода ток станет больше допустимого. Чтобы установить правильный режим надо подвести к диодам прямое напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравновешивающий резистор RУ, с целью погашения на нём излишнего для него напряжения 0,1 В.


RУ

А К

VD1

VD2



0,50,2

0,1==

I

U=R

ДОПУ

Ом


Импульсный режим работы диода

R

VD

uД

t

i



iОБР УСТ

t, мкс0

i

5 И = 1 мкс

Импульсный диод

tВОС

iОБР УСТ

t, мкс0

i

5

0

u

t, мкс

И = 1 мкс

И

Обычный диод


Главная причина обратного тока – разряд диффузионной ёмкости, т.е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в p и n областях.

tВОС

iОБР УСТ

t, мкс0

i

5




Поскольку концентрации примесей в этих областях весьма различны, то практически импульс обратного тока создаётся рассасыванием заряда накопленного в базе. Например, если n-область является эмиттером, а р-область – базой, то при прямом токе можно пренебречь потоком дырок из р-области в n-область и рассматривать только поток электронов из n- области в р-область. При перемене полярности накопленный заряд начинает двигаться в обратном направлении и возникает импульс обратного тока. Чем больше был прямой ток, тем больше накапливалось электронов в базе и тем сильнее импульс обратного тока. Двигаясь от базы обратно в эмиттер, электроны частично рекомбинируют с дырками, а частично проходят через n-область до металлического вывода от этой области.




n pIПР

UПР

n pIОБР

UОБР




Время ВОС называют временем восстановления обратного сопротивления. Это время важный параметр для импульсных диодов. У них ВОС не превышает десятых долей микросекунды.

Вторая причина возникновения импульса обратного тока – заряд барьерной ёмкости под действием обратного напряжения. У импульсных диодов она не превышает нескольких пикофарад.




Принципы устройства диодов

Точечный диод. Тонкая заострённая проволочка (игла) с нанесённой на неё примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определённым типом электропроводности. Из иглы диффундирует примесь, которая создаёт область с другим типом электропроводности.

р

n

Германий n-типа, проволочка из вольфрама (игла) покрыта индием (донор). Кремний n-типа, проволочка из вольфрама (игла) покрыта алюминием (акцептор).

Сплавной и диффузионный диоды

р

n

р

n

Мезадиоды. Для наиболее коротких импульсов.

р

n



Классификация и система обозначений диодов

В основе: ОСТ 11336.919-81 - для не силовых;ГОСТ 20859.1-89- для силовых диодов.

Первый элемент (цифра или буква) – исходный полупроводниковый материал;Второй (буква) – подкласс приборов;Третий (цифра) – основные функциональные возможности;Четвёртый (число) – порядковый номер разработки;Пятый – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.



Исходный полупроводниковый материал диодов.

Г, или 1, - германий или его соединения; К, или 2, - кремний или его соединения; А, или 3, - соединения галлия; И, или 4, - соединения индия.




Подкласс диодов.

Д – выпрямительные и импульсные; Ц – выпрямительные столбы и блоки; В – варикапы; И – туннельные; А – сверхвысокочастотные; С – стабилитроны; Г – генераторы шума; Л – излучающие оптоэлектронные приборы; О – оптопары.




Documents

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ