Лекція на тему Діоди. 3. Діоди. Напівпровідникові діоди

Мал. 1. Класифікація електронних напівпровідникових приладів
Напівпровідниковий діод називається електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з одним випрямляючим електричним переходом, що має два висновки.

Структура напівпровідникового діода з електронно-дірковим переходом та його умовне графічне позначення наведено на рис. 2.

Мал. 2. Схема структури напівпровідникового діода (а)

та його графічне позначення (б)
Літерами p і n позначені шари напівпровідника з провідностями відповідно p-типу та n-Типу. У шарах контакту напівпровідника (область p-n-Переходу на рис. 2.2) має місце дифузія дірок із шару p у шар nпричиною якої є те, що їх концентрація в шарі p значно більше їх концентрації у шарі n. У результаті прикордонних областях шару pшаруn виникає так званий збіднений шар, в якому мала концентрація рухомих носіїв заряду (електронів та дірок). Збіднений шар має великий питомий опір. Іони домішок збідненого шару не компенсовані дірками чи електронами. У сукупності іони утворюють некомпенсовані об'ємні заряди, що утворюють електричне поле з напруженістю. Е. Це поле перешкоджає переходу дірок із шару p у шар n та переходу електронів з шару n у шар p. Воно створює так званий дрейфовий потік рухомих носіїв заряду, що переміщує дірки з шару n у шар pта електрони з шару p у шар n. Таким чином, в залежності від полярності струму, що проходить через діод, провідність діода істотно змінюється, приводячи до зміни величину струму, що проходить.

Основні характеристики напівпровідникового діода є його вольт-амперною характеристикою (ВАХ). Вольт-амперна характеристика – це залежність струму i, що протікає через діод, від напруги u, доданий до діода. Вольт-амперною характеристикою називають і графік цієї залежності (рис. 3).

1. 
   зворотний струм при певній величині зворотної напруги I_обр, мкА;
   



2. 
   падіння напруги на діоді при деякому значенні прямого струму через діод U_пр, в;
   



3. 
   ємність діода при подачі на нього зворотної напруги деякої величини З, пФ;
   



4. 
   діапазон частот, у якому можлива робота без зниження випрямленого струму f_гр, кГц;
   



5. 
   робочий діапазон температур.
   

Технічними умовами визначаються зазвичай максимальні (або мінімальні) значення параметрів для діодів кожного типу. Так, наприклад, задається максимально можливе значення зворотного струму, прямого падіння напруги та ємності діода. Діапазон частот визначається мінімальним значенням граничної частоти f_гр. Це означає, що параметри всіх діодів не перевищує (а у разі частоти – не нижче) заданого технічними умовами значення. Загальний вид діодів показано на рис 4.

Мал. 4. Конструкція діодів малої потужності (а) та середньої потужності (б)
Стабілітрон. Це напівпровідниковий діод, який сконструйований для роботи в режимі електричного пробою. Умовне графічне позначення стабілітрону представлено на рис. 5,а.

Мал. 2.5. Графічне зображення напівпровідникових діодів:

а) стабілітрон; б) діод Шоттки; в) варикап; г) тунельний діод;

д) звернений діод
У зазначеному режимі при значній зміні струму стабілітрону напруга змінюється незначно, т.е. е. Стабілітрон стабілізує напругу. Вольт-амперна характеристика кремнієвого стабілітрона Д814Д представлена ​​на рис. 6.

Мал. 6. Вольт-амперна характеристика кремнієвого стабілітрона Д814Д
У стабілітронах може мати місце і тунельний, і лавинний, і змішаний пробій в залежності від питомого опору бази.

У стабілітронах з низькоомною базою (низьковольтних, до 5,7 У) має місце тунельний пробій, а в стабілітронах з високоомною базою (високовольтних) – лавинний пробій.

1. 
   U_ст - Напруга стабілізації (при заданому струмі в режимі пробою);
   



2. 
   I_ст.хв - Мінімально допустимий струм стабілізації;
   



3. 
   I_{ст.макс}– максимально допустимий струм стабілізації;
   



4. 
   r_ст– диференціальний опір стабілітрона (на ділянці пробою);
   



5. 
   (ТКН) – температурний коефіцієнт напруги стабілізації.
   

Для прикладу застосування стабілітрона звернемося до схеми так званого параметричного стабілізатора напруги (рис. 7.). Легко помітити, що якщо напруга u_вх настільки велике, що стабілітрон перебуває в режимі пробою, то зміни цієї напруги практично не викликають зміни напруги u_вих(при зміні напруги u_вх змінюється лише струм i, а також напруга).

Мал. 7. Схема параметричного стабілізатора напруги

Стабілітрон є швидкодіючим приладом та добре працює в імпульсних схемах.

Стабістор. Це напівпровідниковий діод, напруга на якому при прямому включенні (близько 0,7 У) мало залежить від струму (пряма гілка на відповідній ділянці майже вертикальна). Стабістор призначений для стабілізації малої напруги.

Діод Шоттки. У діоді Шоттки використовується не p-n-перехід, а контакт, що випрямляє, метал-напівпровідник. Умовне графічне позначення діода Шоттка представлено на рис. 5, б.

У звичайних умовах прямий струм, утворений електронами зони провідності, що переходять з напівпровідника метал, має дуже малу величину. Це є наслідком нестачі електронів, енергія яких дозволила б їм подолати цей бар'єр.

Для збільшення прямого струму необхідно розігріти електрони в напівпровіднику, підняти їх енергію. Таке розігрів може бути здійснено за допомогою електричного поля.

Якщо підключити джерело зовнішньої напруги плюсом до металу, а мінусом до напівпровідника n-Типу, то потенційний бар'єр знизиться і через перехід почне протікати прямий струм. При протилежному підключенні потенційний бар'єр збільшується і струм виявляється дуже малим.

Діоди Шоттки - дуже швидкодіючі прилади, вони можуть працювати на частотах до десятків гігагерц. ГГц=1·10 9 Гц). Діод Шоттки може мати малий зворотний струм і малу пряму напругу (при малих прямих струмах) – близько 0,5 Ущо менше, ніж у кремнієвих приладів. Максимально допустимий прямий струм може становити десятки та сотні ампер, а максимально допустима напруга – сотні вольт.

Варікап. Це напівпровідниковий діод, призначений для роботи як конденсатор, ємність якого керується напругою. Умовне графічне позначення варикапу представлено на рис. 5, в.

На варикап подають зворотну напругу. Бар'єрна ємність варикапа зменшується зі збільшенням (за модулем) зворотної напруги. Характер зміни ємності у варикапа такий самий, як і у звичайного діода.

Тунельний діод . Це напівпровідниковий діод, у якому використовується явище тунельного пробою при включенні у прямому напрямку. Характерною особливістю тунельного діода є наявність прямої гілки вольт-амперной характеристики ділянки з негативним диференціальним опором. Умовне графічне позначення діода подано на рис. 5,г.

Наприклад зобразимо (рис. 8) пряму гілка вольт-амперної характеристики германієвого тунельного підсилювального діода 1І104А (I_{пр.макс}=20 мА - Постійний прямий струм, U_{обр.макс}=20 мВ), призначеного для посилення в діапазоні хвиль 2…10 см (це відповідає частоті понад 1 ГГц).

Мал. 8. Вольт-амперна характеристика германієвого тунельного діода
Загальна ємність діода у точці мінімуму характеристики становить 0,8…1,9 пФ. Корисно відзначити, що перевірка діода не допускається тестером. Тунельні діоди можуть працювати на дуже високих частотах – понад 1 ГГц.

Наявність ділянки з негативним диференціальним опором на вольт-амперній характеристиці забезпечує можливість використання тунельних діодів як підсилювальний елемент і як основний елемент генераторів.

В даний час тунельні діоди використовуються саме в цій якості в області надвисоких частот.

Звернений діод . Це напівпровідниковий діод, фізичні явища в якому подібні до фізичних явищ у тунельному діоді, тому найчастіше звернений діод розглядають як варіант тунельного діода. При цьому ділянка з негативним диференціальним опором на вольт-амперній характеристиці зверненого діода відсутня або дуже слабко виражена.

Зворотна гілка вольт-амперної характеристики зверненого діода (що відрізняється дуже малим падінням напруги) використовується як пряма гілка «звичайного діода», а пряма гілка – як зворотна гілка. Звідси і назва – звернений діод.

Умовне графічне позначення зверненого діода подано на рис. 5,д.

Розглянемо для прикладу вольт-амперні характеристики германієвого зверненого діода 1І104А (рис. 9), призначеного, крім іншого, для роботи в імпульсних пристроях (постійний прямий струм – не більше 0,3 мА, постійний зворотний струм – не більше 4 мА (при ), загальна ємність у точці мінімуму вольт-амперної характеристики 1,2…1,5 пФ).

Як видно з графіка (рис. 9), обидві гілки вольт-амперної характеристики практично симетричні (у дзеркальному відображенні) щодо початку координат. Ділянка негативного диференціального опору розміщена на ділянці позитивної напруги між 0,1 та 0,3 У. При цьому амплітуда струму на ділянці з негативним диференціальним опором не перевищує 0,05 мА.

Мал. 9. Вольт-амперна характеристика зверненого діода

Класифікація та система позначень. Класифікація сучасних напівпровідникових діодів (ПД) за їх призначенням, фізичними властивостями, основними електричними параметрами, конструктивно-технологічними ознаками, вихідним напівпровідниковим матеріалом знаходить відображення в системі умовних позначень діодів відповідно до ГОСТ 20859.1-89.

Перший елемент (цифра або буква) позначає вихідний напівпровідниковий матеріал, другий (літера) – підклас приладів, третій (цифра) – основні функціональні можливості приладу, четвертий – число, що означає порядковий номер розробки, п'ятий елемент – буква, що умовно визначає класифікацію (розбраковування за параметрів) приладів, виготовлених за єдиною технологією.

Для позначення вихідного напівпровідникового матеріалу використовуються такі символи:

Г, або 1 – германій чи його сполуки;

або 2 – кремній або його сполуки;

А, або 3 – сполуки галію;

І, чи 4 – з'єднання индия.

Для позначення підкласів діодів використовується одна з наступних літер:

Д - діоди випрямні та імпульсні;

Ц - випрямні стовпи та блоки;

А - надвисокочастотні діоди;

Л – випромінюючі оптоелектронні прилади;

Для позначення найхарактерніших експлуатаційних ознак приладів (їх функціональних можливостей) використовуються такі цифри.

Діоди (підклас Д):

1 - випрямні діоди з постійним або середнім значенням прямого струму не більше 0,3 А;

2 - випрямні діоди з постійним або середнім значенням прямого струму більше 0,3 А, але не понад 10 А;

4 – імпульсні діоди з часом відновлення зворотного опору понад 500 нс;

5 – імпульсні діоди з часом відновлення понад 150 нс, але не понад 500 нс;

6 - імпульсні діоди з часом відновлення 30 ... 150 нс;

7 – імпульсні діоди з часом відновлення 5…30 нс;

8 – імпульсні діоди з часом відновлення 1…5 нс;

9 - імпульсні діоди з ефективним часом життя неосновних носіїв заряду менше 1 нс.

Випрямні стовпи та блоки (підклас Ц):

1 - стовпи з постійним або середнім значенням прямого струму не більше 0,3 А;

2 – стовпи з постійним чи середнім значенням прямого струму 0,3… 10 А;

3 - блоки з постійним або середнім значенням прямого струму 0,3 А;

4 – блоки з постійним чи середнім значенням прямого струму 0,3… 10 А.

Варикапи (підклас В):

1 - підстроювальні варикапи;

2 – помножувальні варикапи;

Тунельні діоди (підклас І):

1 – підсилювальні тунельні діоди;

3 – перемикальні тунельні діоди;

Надвисокочастотні діоди (підклас А):

1 – змішувальні діоди;

2 – детекторні діоди;

3 – підсилювальні діоди;

4 – параметричні діоди;

5 – перемикальні та обмежувальні діоди;

6 – помножувальні та надбудовні діоди;

7 – генераторні діоди;

Стабілітрони (підклас С):

1 – стабілітрони потужністю не більше 0,3Вт з номінальною напругою стабілізації менше 10У

2 – стабілітрони потужністю не більше 0,3Вт з номінальною напругою стабілізації 10... 100В

3 – стабілітрони потужністю не більше 0,3Вт з номінальною напругою стабілізації понад 100У

4 – стабілітрони потужністю не більше 0,3… 5Вт з номінальною напругою стабілізації менше 10У

5 - стабілітрони потужністю 0,3… 5 Вт з номінальною напругою стабілізації 10... 100 У;

6 - стабілітрони потужністю 0,3… 5 Вт з номінальною напругою стабілізації понад 100 У;

7 – стабілітрони потужністю 5… 10 Вт з номінальною напругою стабілізації менше 10 У;

8 – стабілітрони потужністю 5… 10 Вт з номінальною напругою стабілізації 10... 100 У;

9 – стабілітрони потужністю 5… 10 Вт з номінальною напругою стабілізації понад 100 У.

Генератори шуму (підклас Г):

1 – низькочастотні генератори шуму;

2 – високочастотні генератори шуму.

Приклади позначення приладів:
2Д204В – кремнієвий випрямний діод із постійним та середнім значенням струму 0,3…10 А, Номер розробки 04, група Ст.

КС620А - Кремнієвий стабілітрон потужністю 0,5 ... 5 Вт, з номінальною напругою стабілізації понад 100 У, Номер розробки 20, група А.