Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод — это полупроводниковый элемент, пропускающий ток только в одном направлении. Принцип работы диода основан на свойствах проводимости полупроводников, а именно на электронно-дырочном переходе.
На принципиальной электрической схеме диоды изображаются следующим образом:
Диоды изготавливают в основном методами сплавления и методом диффузии. Метод сплавления заключается в сплавлении пластин p и n – типов, а метод диффузии состоит во внедрении примесных атомов в полупроводниковую пластину. Благодаря этим способам изготавливаются большие площади p – n переходов – до 1000 мм2. А чем больше площадь перехода, тем больший ток можно через него пропускать.
Существуют также точечные (высокочастотные) диоды, площадь их p – n перехода меньше 0,1 мм2. Такие диоды изготавливаются с помощью соединения металлической иглы с полупроводником. Применяются точечные диоды в аппаратуре сверхвысоких частот при значении тока 10-20 мА.
Основные виды полупроводниковых диодов по функциональному назначению: выпрямительные, стабилитроны, импульсные, светодиоды, фотодиоды и т.д.
Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи. Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом.
Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю
На рисунке схематично изображен график напряжения на резисторе.
Стабилитронами (опорными диодами) называются полупроводниковые диоды предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Для стабилизации напряжения в стабилитронах используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики в области электрического пробоя, для этого их включают в обратном направлении. При изменении тока протекающего через стабилитрон от значения Iстmin до Iстmax напряжение на нем почти не изменяется.
Стабилитроны стабилизируют напряжение от 3,5 В, а для стабилизации меньшего напряжения используют стабисторы. В стабисторах используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, поэтому их включают в прямом направлении.
Импульсным называется диод, который предназначен для работы в импульсных схемах. В прямом направлении импульсный диод хорошо проводит электрический ток. При обратном включении такого диода, обратный ток в нем резко увеличивается, а через короткий промежуток времени исчезает. Таким образом получается электрический импульс.
electroandi.ru
I.Общая информация
Полупроводниковые
диоды
Полупроводниковый диод – прибор, имеющий два вывода для включения в электрическую цепь и обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо — противоположного направления. Это свойство диода используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).
Слово «диод» образовалось от греческой приставки «ди» — «дважды» и сокращения слова «электрод».
Строение и принцип действия
Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластинку с двумя областями разной проводимости: электронной (n— типа) и дырочной (p— типа). Между ними — разделяющая граница, называемаяp—n – переходом (область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности). Рабочий элемент — кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси.
Полупроводники стали настоящей золотой жилой техники, когда из них научились делать слоистые структуры.
Выращивая слой n-полупроводника на пластинкеp-полупроводника, мы получим двухслойный полупроводник сp
П
Рисунок 1
олупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.Как возникает выпрямляющий запирающий слой? Образование слоя начинается с того, что вp-половине больше дырок, а вn-половине больше электронов. Разность плотности носителей зарядов начинается уравновешиваться через переход: дырки проникают вn-половину, электроны вp-половину. Рассмотрим, как создаетсяp-nпереход при использовании донорной примеси.
Этот переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Эта толщина должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия преобразуется область с проводимостью р-типа. Остальная часть образца германия, в который атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между областями возникаетp-nпереход. В полупроводниковом диоде германий служит катодом (отрицательным электродом), а индий — анодом (положительным электродом). На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоединение диода.
Процессы в зоне проводимости
Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.
Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная —
С помощью внешнего источника тока можно повысить или понизить внешний потенциальный барьер. Если к диоду приложить прямое напряжение, т.е. положительный полюс соединить сp-половиной, то внешняя электрическая сила начнёт действовать против двойного слоя, и диод пропускает ток, который быстро растёт с увеличением напряжения. Если же изменить полярность проводников, то напряжение падает почти до нулевой отметки. Если диод подключить в цепь переменного напряжения, то он будет служить как выпрямитель, т.е. на выходе будет постоянное пульсирующее напряжение, по направлению в одну сторону (от плюса к минусу). Для того чтобы сгладить амплитуду, или как её ёщё называют «пиковое значение» пульсации тока, эффективно добавить параллельно диоду конденсатор.
Диод хорошо пропускает ток, когда его отрицательный электрод соединен с отрицательным полюсом источника напряжения (батареи), а положительный с положительным полюсом, т.е. когда на диод подается напряжение прямой полярности, или, короче, прямое напряжение. В этом случае электроны в n- области полупроводниковой пластинки будут двигаться к положительному полюсу батареи, т.е. к границе сp- областью; в то же время «дырки» вp- области будут двигаться к отрицательному полюсу батареи и, следовательно, к границе сn- областью.
В результате вблизи p-nперехода произойдет накопление положительных и отрицательных зарядов, и поэтому сопротивление перехода уменьшится. При напряжении противоположной (обратной) полярности, когда положительный полюс батареи соединен сn- областью, а отрицательный сp- областью, электроны вn- области и «дырки» вp- области движутся от границыp-n– перехода. Вследствие этого происходит уменьшение положительных и отрицательных зарядов вблизиp-nперехода, и его сопротивление увеличивается. Это и означает, что при переменном напряжении ток через диод в одном направлении будет большей силы, чем в другом, т.е. в цепи появится практически ток одного направления — произойдет выпрямление переменного тока.
Наряду с выпрямительными свойствами p-nпереход обладает емкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении емкость диода больше, чем при обратном. С увеличением обратного напряжения емкость диода уменьшается.
Изготовление
Один из способов изготовления диода состоит в следующем. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см 2и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника сn-проводимостью, например, германия, расплавляют кусочек индия и помещают в печь. При высокой температуре (около 5000С) индий вплавляется в пластинку германия, образуя в ней область дырочной проводимости. К самой пластине германия и к затвердевшей «капле» индия припаивают два проволочных вывода электродов и прибор заключают в герметический и непрозрачный корпус, чтобы защититьp-nпереход от воздействия влаги и света. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости. Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника, чем меньше сопротивление диода в прямом направлении, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками.
Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию обычно припаиваются проволочки из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа. Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые р-n– переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов, существующих в переходе.
После сборки транзистора для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. Устройство и схематическое изображение полупроводникового диода:
VD
Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n– переходов. Низкоомную область диодов называютэмиттером, а высокоомную –базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используютp-n-,p-i-,n-i– переходы, а также переходы металл-полупроводник. На рисунке 3 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.
а) б)
Структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.
Рисунок 3.
Общие сведения (по назначению и характеристикам)
Выпрямительные приборы довольно часто требуются в промышленности. Например выпрямители нужны для правильной работы бытовой техники (т.к. почти все электроприборы потребляют постоянное напряжение. Это телевизоры, радиоприёмники, видеомагнитофоны и т.д.). Также полупроводниковые диоды нужны для расшифровки видео, радио, фото и других сигналов в частотно-электрические сигналы, для детектирования слабых радиосигналов, например, в радиоприемниках, для выделения и обработки электрических сигналов в различных автоматических устройствах и ЭВМ. С помощью этого свойства полупроводников мы смотрим телевизор или слушаем радио.
Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Диоды обладают большой надежностью, но граница их применения от –70 до 125 С. Их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящие от прямого и обратного напряжения, и определяющие его выпрямляющие и прочностные свойства.
В радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами в настоящее время для выпрямления электрического тока все больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ.
_______________________________________________________________________________
В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси. Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленного тока более миниатюрны, чем ламповые.
По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых диодов имеются существенные достоинства:
Малый вес и малые размеры.
Отсутствие затраты энергии на накал.
Большой срок службы (до десятков тысяч часов).
Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).
Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.
Вместе с тем полупроводниковые диоды в настоящее время обладают следующими недостатками:
Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.
Свойства приборов сильно зависят от температуры.
Работа полупроводниковых диодов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.
Вольтамперная характеристика и параметры
Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики (ВАХ). В отличие от характеристики идеального р-n– перехода, описываемой соотношением
(пунктирная кривая
на рис.4), характеристика реального диода
(сплошная кривая на рис.4) в области
прямых напряжений Uрасполагается несколько ниже из-за
падения части приложенного напряжения
на объемном сопротивлении базы диодаr. Ток
называюттепловым током илиоб-
ратным током насыщения. Это отличие
от идеализированной кривой обусловлено
тем, что тепловой ток
при обратном включении составляет лишь
часть обратного тока диода. При прямом
включении существенное влияние на ход
ВАХ оказывает падение напряжения на
сопротивлении базы диода, которое
начинает проявляться уже при токах,
превышающих 2-10 мА.
Прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет величину не выше десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при таком же малом напряжении, а сопротивление соответственно снижается до единиц Ом и меньше. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицы и десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен кОм и больше.
При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную ВАХ, сложно и нецелесообразно.
Поэтому у реальных
диодов в качестве одного из основных
параметров используют обратный ток 
,
который измеряют при определенном
значении обратного напряжения.
У германиевых
диодов 
,
у кремниевых
.
Так как значения обратного тока у диодов
изменяются в широких пределах (от
экземпляра к экземпляру), в паспортных
данных на каждый вид диода указывается
его максимально допустимое значение.
Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для теплового тока справедлива зависимость
(*)
где 
тепловой ток при температуре
постоянный
коэффициент (для германияпри,
для кремнияпри).
С помощью выражения (*) можно ориентировочно
определить обратный ток при разных
температурах у германиевых диодов. В
кремниевых диодах в диапазоне рабочих
температур доля теплового тока в полном
обратном токе невелика. Для инженерных
расчетов обратного тока в зависимости
от температуры окружающей среды
пользуются упрощенным выражением
,
где T*
— приращение температуры, при котором
обратный ток
удваивается
(T*
8
10oCдля германия иT*
6
7oCдля кремния). В практике часто считают,
что обратный ток германиевых диодов
увеличивается в два раза, а кремниевых
– в 2,5 раза при увеличении температуры
на каждые 10оС. При этом фактическое
изменение обратного тока обычно
занижается. Так как обратный ток в
кремниевых диодах на несколько порядков
меньше, чем в германиевых, им часто
пренебрегают.
С учетом падения напряжения на базе диода запишем уравнение прямой ветви ВАХ диода:
где rб– омическое сопротивление базы диода. ВАХ кремниевого и германиевого диодов:
В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объеме полупроводника. При достижении обратным напряжением определенного критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.
Падение напряжения
на диоде
зависит от токаI,
протекающего через него, и имеет большее
значение у диодов с малым
.
Так как у кремниевых диодов тепловой
ток
мал, то и начальный участок прямой ветви
ВАХ значительно более пологий, чем у
германиевых. При увеличении температуры
прямая ветвь ВАХ становится более крутой
из-за увеличения
и уменьшения сопротивления базы. Падение
напряжения, соответствующее тому же
значению прямого тока, при этом
уменьшается, что оценивается с помощью
температурного коэффициента напряжения
:
.
показывает,
насколько должно измениться напряжение
на р-n– переходе при
изменении температуры на 1оС приI=const,
=2,2
мВ/град.
Классификация
В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении:
— точечные диоды,
— сплавные,
— микросплавные,
— с диффузной базой,
— с эпитаксиальныеи др.
По функциональному назначениюдиоды делят на:
— выпрямительные
— универсальные
— импульсные
— смесительные
— детекторные
-модуляторные
— переключающие
— умножительные
— стабилитроны (опорные)
— туннельные
— параметрические
— фотодиоды
— светодиоды
— магнитодиоды
— высокочастотные
— диоды Ганна и т.д.
Существует много разновидностей полупроводниковых диодов, обладающих специальными свойствами. Стабилитрон— диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока, так что напряжение на диоде практически не меняется.Варикап— диод, емкостьp-nперехода которого зависит от значения приложенного к нему напряжения. Он может быть использован в качестве конденсатора, емкостью которого управляют, изменяя приложенное напряжение.
Есть еще и необычные полупроводниковые диоды – это светодиоды и фотодиоды. Фотодиоды пропускают ток только при попадании на их корпус света. А светодиоды при прохождении через них тока, начинают светиться. Цвет свечения светодиодов зависит от того, к какой разновидности он принадлежит. Фотодиод— полупроводниковый диод, в корпусе которого имеется окно для освещенияp-nперехода. Под действием света изменяется сопротивление диода и, следовательно, сила тока в его цепи. Кроме того, под действием света в диоде возникает электродвижущая сила, так, что освещенный фотодиод является источником электрической энергии.
Обозначения полупроводниковых диодов состоят из шести элементов. Первый элемент – буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Германий или его соединения обозначают буквой Г, кремний и его соединения – буквой К, соединения галлия – А. В приборах специального назначения буквы заменяются соответствующими цифрами: германий – 1, кремний – 2, соединения галлия – 3. Второй элемент – буква, обозначающая подклассы диода: выпрямительные, импульсные, универсальные – Д, варикапы – В, туннельные и обращенные диоды – И, стабилитроны – С, сверхвысокочастотные – А. Третий элемент – цифра, определяющая назначение диода: от 101 до 399 – выпрямительные; от 401 до 499 – универсальные; от 501 до 599 — импульсные. У стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеяния. Четвертый и пятый элементы – цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номинальное напряжение стабилизации). Шестой элемент – буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (приборы одного типа по значениям параметров подразделяются на группы). У стабилитронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки, например: КД215А, ГД412А, 2Д504А, КВ101А, КС168А и т. д.
Полупроводниковые диоды подразделяются на группы в зависимости от их мощности, диапазона рабочих частот и напряжения.
По типу мощности различают выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности.
Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.
Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.
Мощные (силовые) диоды. К данному типу относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.
studfiles.net
Полупроводниковые диоды
Основой полупроводникового диода является р—n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р—n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.
Рис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод
В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.
По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.
Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р—n-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.
Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р—n-переход. Кремниевый р—n-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р—n-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус
Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (Iпр. ср< 0,3 А), средней (0,3 А < Iпр. ср< 10 А) и большой (Iпp.ср> 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.
Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода
Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р—n-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а, а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б.
Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь р—n-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости Сд между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (fмакс ? 300 МГц) и СВЧ (fмакс ? 300 МГц). Помимо статической емкости Сд точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные.
Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.
Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: Сд и tвосст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения.
Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение Uобр. пр, то происходит лавинный пробой р—n-перехода,
при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст. макс, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя р—n-перехода.
К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации
Uст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации Iст. ном (см. рис. 1.8, а). Помимо Iст. ном указываются также минимальное Iст. мини максимальное Iст. максзначения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от ширины р—n-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.
Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения uвх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение uвых остается практически неизменным.
Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р—n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.
Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р—n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к
варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p—n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.
Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость Сном, определяемая при номинальном напряжений смещения (Uном= 4 В), максимальная Смакс и минимальная Сминемкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости Кс= Смакс/Смин), добротность Q, а также Uобр.макс.
Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p—n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р—n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).
Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).
При контакте двух полупроводников n— и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р—n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.
При освещении полупроводника в области р—n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р—n-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны – в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, определяемые равенствами (1.8), (1.9), возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком Iф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой, в соответствии с выражением (1.10), тепловой ток Io, обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n-типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Еф. Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях.
Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р—n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Ее в энергетическое состояние уровня Еу с меньшим запасом энергии.
В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.
Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения
К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.
Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.
Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс = 1 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).
Рис. 1.12 ВАХ туннельного диода
Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.
electrono.ru
Полупроводниковый диод — это… Что такое Полупроводниковый диод?
Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). 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.[1]
Основные характеристики и параметры диодов
Диод ДГ-Ц25. 1959 г.- Вольт-амперная характеристика
- Постоянный обратный ток диода
- Постоянное обратное напряжение диода
- Постоянный прямой ток диода
- Диапазон частот диода
- Дифференциальное сопротивление
- Ёмкость
- Пробивное напряжение
- Максимально допустимая мощность
- Максимально допустимый постоянный прямой ток диода
Классификация диодов
Типы диодов по назначению
- Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
- Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
- Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
- Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
- Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
- Параметрические
- Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
- Умножительные
- Настроечные
- Генераторные
Типы диодов по частотному диапазону
- Низкочастотные
- Высокочастотные
- СВЧ
Типы диодов по размеру перехода
- Плоскостные
- Точечные
Типы диодов по конструкции
Другие типы
Примечания
- ↑ Овечкин Ю. А. Полупроводниковые приборы: Учебник для техникумов. 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Высш. шк., 1986
- ↑ 1 2 Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985.
Литература
- Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985. — 176 с.
- Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987. — 479 с.
Ссылки
dic.academic.ru
Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.
На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.
Диод в состоянии покоя
Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.
Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.
Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.
Обратное включение диода
Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.
В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.
Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.
Прямое включение диода
Меняем полярность источника питания — плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток ID.
Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.
Недостатки реального полупроводникового диода
На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.
При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения Vϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов Vϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.
hightolow.ru
Полупроводниковый диод: история, развитие, особенности
Полупроводниковый диод – это электрический прибор с одним p-n-переходом, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой. В аппаратуре используется для выпрямления тока, входит в состав мостов различного толка. Полупроводниковый диод обозначается на схеме темным (реже прозрачным) треугольником с вершиной и перпендикулярной чертой при катоде (n-область).
Основные термины и определения
К полупроводниковым диодам принято относить ряд классов, по праву выделяемые в отдельные семейства. Это варикапы, стабилитроны, светодиоды и прочее. Общим становится наличие единственного p-n-перехода. Ламповые выпрямители также называют диодами. В указанном контексте и применяется эпитет полупроводниковые, чтобы отметить наличие p-n-перехода.
Электрический диод
Диоды ценятся за ярко выраженные выпрямляющие свойства. Ток проходит через p-n-переход в одном направлении, что решает большой спектр технических задач. Массово применяются выпрямительные свойства полупроводников и в интегральных схемах, включая кристаллы. Хотя в процессорах по большей части на подложке формируются транзисторы, рассматриваемые как два включённых навстречу полупроводниковых диода. Избыточность оправдывается унификацией технологического цикла.
Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов открыты на примере сульфида меди. Об этом нетрудно прочитать в исторической справке, приведённой ниже. Вдобавок полупроводниковые диоды создаются на основе любого природного минерала, неметаллов IV, V и VI групп, различных оксидов, сплавов, части органических красителей (для светодиодов используется указанный класс веществ).
История развития полупроводниковой техники
Первые «кристаллические» диоды
Вопреки общепринятому мнению выпрямляющие свойства перехода металл-полупроводник (диод Шоттки) известны давно. В широком смысле полупроводниковая техника начала развиваться семимильными шагами после Второй мировой войны. Причины случившегося:
- В военное время большинство стран вело исследования в области новых технологий. К примеру, появился на свет и был немедленно засекречен транзистор. Равно как и первый операционный усилитель предполагалось использовать для привода зенитных орудий системы противовоздушной обороны. Это изобретение могло бы увидеть свет раньше, первые работы в упомянутой области проводились на заре 30-х годов XX века.
- Приблизительно за 10 лет до начала Второй мировой войны большинство стран оказалось в курсе грядущих событий. Не удивительно, что держали в секрете избранные сведения.
- Если брать в рассмотрение фашистскую Германию, её правительство по соображениям давно взлелеянной неприязни отказывалось общаться с прочими европейскими державами. Поводом стали итоги Первой мировой войны.
Применение диода
Итак, полупроводниковая техника стала развиваться в условиях недавно созданной ООН, гарантировавшей мир на земле, и принятого ею устава. Выпрямительные свойства полупроводников открыты немецким учёным Карлом Фердинандом Брауном, получившим на пару с Маркони Нобелевскую премию за развитие беспроводного телеграфа (радиосвязи) в 1909 году. К великому сожалению, нет возможности найти перевод работы «Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle», опубликованной в журнале Annalen der Physik und Chemie 1874 года за номером 153.
Двумя годами ранее, в марте 1872 года Карл получает степень доктора философии за работу в области колебаний струны. Потом остаётся в Берлинском Университете. Научный руководитель работы, Георг Квинке, получает назначение в Вюрцбург, и оба следуют туда, где внимание сосредотачивают на проводимости материалов. Опубликованы отчёты о прохождении тока сквозь расплавы солей и выпрямляющих свойствах слоёв газа с разной проводимостью. Первоначально заинтересовавшись солями свинца, Карл Браун дошёл, наконец, до сульфида меди.
23 ноября 1874 года в свет выходит работа, где обсуждаются искусственно созданные и натуральные образцы материала с точки зрения электропроводности. Избранные демонстрировали разницу в сопротивлении, зависящую от направления, составлявшую 30%. Обнаружено, что в одном из направлений проводимость образца зависит от силы текущего тока, измеренной гальванометром. Так обнаружились и нелинейные свойства материала, ныне демонстрируемые полупроводниковыми диодами. Одновременно эффект зависел от способа приложения металлических электродов, что указывало на анизотропность обнаруженных качеств.
В то время происходящее считалось необъяснимым, наблюдаемый результат противоречил известным научным фактам. Сегодня известно, что переход металл-полупроводник обладает выпрямляющими свойствами наравне с p-n-переходом. Разница в том, что на первом падение напряжения меньше. Соответственно, полупроводниковые диоды Шоттки применяют в качестве выпрямителей на выходных каскадах блоков питания. В упомянутое время Вернер Сименс обнаружил одностороннюю проводимость кристаллов селена. А Браун добавил ещё ряд материалов, среди прочего — псиломелан (руда марганца), создав первый усиковый (точечный) диод.
Первый детектор для радио
Идеям Брауна нашёл практическое применение Джагдиш Чандра Бос, собравший первый детектор для радио под частоты миллиметрового диапазона из галенита (сульфид свинца) и получивший на него патент США за номером 755840, поданный на рассмотрение 30 сентября 1901 года и одобренный в марте 1904. Бенгальский учёный доложил об изобретении в 1899 году Королевскому научному обществу Англии. Уже в декабре 1901 года прибор применили для расшифровки трансатлантической телеграфной передачи Маркони.
Вскоре появляются новые детекторы:
- Патент № 836531, поданный 20 августа 1906 года Гринлифом Пикардом, примечателен тем, что впервые здесь упоминается о кристалле кремния (с англ. – силикон).
- Генри Данвуди 23 марта 1906 года для целей выпрямления тока использует карбид кремния (карборунда). Материал вначале синтезирован и лишь впоследствии обнаружен на осколках упавшего метеорита.
Некоторое время кристаллический детектор использовался и даже дал направление в электронике светодиодам, но с изобретением электронных ламп полупроводники ушли на задний план. И так происходило до послевоенных лет. С началом 50-х и вхождением в обиход транзисторов, а главное – германия, полупроводниковая техника развивается семимильными шагами и поныне.
Объяснение найдено
Лишь в 1928 году Арнольд Зоммерфельд и молодой Феликс Блох (Блоховские электроны) объяснили открытие Брауна с позиций квантовой механики. В первом приближении о новом направлении науки нетрудно узнать из заметки 1931 года On the quantum mechanics of electrons in crystal lattices за авторством Грониха и Пенни из Гронингенского Университета. Русскоязычным читателям удобнее ознакомиться с одномерной моделью движения электронов в периодическом поле, которая впервые наглядно иллюстрирует природу возникновения энергетических зон в кристалле.
Показано, что функция распределения энергий не непрерывна. Присутствуют разрешённые области, разделённые запрещёнными. Сегодня о теории знает каждый ученик из школьного курса физики, но роль первопроходца целиком отдаётся Шокли, что не совсем верно. В действительности полную теорию, хорошо согласующуюся с практикой, подвёл под полупроводники Ханс Альбрехт Бете в 1942 году (несколькими годами позднее знаменитого коллеги).
Полупроводниковый прибор
Бурное развитие полупроводниковой техники
В послевоенные годы выгоды выпуска полупроводниковой техники ещё не были очевидны. На начало 50-х производством занимались две американские компании:
- Texas Instruments (с 1951 года – выделенное предприятие, отпочковавшееся от Объединённой геофизической службы) с 1950 году выпускает полупроводниковые транзисторы, и сегодня занимает ведущую роль в производстве электронных компонентов. Небезызвестный Джэк Килби, изобретатель интегральных микросхем, работал в упомянутой компании. На момент середины 50-х Texas Instruments занимала первое место по объёму оборота средств в сфере производства полупроводниковой техники.
- Ныне несуществующая компания Transitron, созданная в 1952 году Лео и Дэвидом Бакаларами, к 1955 на пару с Texas Instruments выпускала более трети всех полупроводниковых приборов, за считаные годы поднялась до вершины. Материнская для Texas Instruments компания существовала с 1930 года, работала в военное время на правительство и обладала широкой известностью. На 1961 год оборот средств Transitron составил 40 млн. долларов. И это до первого нефтяного кризиса! Дэвид числился президентом до 1984 года, через пару лет компания прекратила существование.
Упадок Transitron начался в 60-е, когда они ошибочно отказались от новых направлений. Речь идёт об интегральных микросхемах. Перспективы обрёл кремний, хотя прежде в силу известности использовался германий. Более подробно о причинах ситуации можно прочитать в топике про биполярные транзисторы.
Добавим, в полупроводниковой технике требуется столь высокая степень чистоты кремния, что на момент середины XX века производство выходило чрезвычайно дорогим. В то же время германиевые приборы показывают меньшие предельные температуры (85 градусов Цельсия) и при перегреве легко выходят из строя. Легко понять, почему Transitron, отказавшаяся вложить средства в инновации, уже с середины 60-х годов начала терпеть серьёзные убытки.
Последние силы компании оказались отняты разработкой собственного микропроцессора, не имевшего коммерческого успеха. Кстати, германий, по некоторым оценкам, вновь станет весьма перспективным элементом и полупроводником. К примеру, на его основе создаются и выпрямители. Причём не только для радиочастот, но и промышленных сетей 50 Гц 220 В, что делает их перспективными в качестве замены громоздким реле.
Полупроводниковые диоды Шокли
В 1956 году Вильям Шокли основывает в Пало Альто (штат Калифорния) собственную компанию по адресу Сауф Антонио Роуд, 391. Это первое предприятие, занимающееся полупроводниками, на месте, где теперь расположена известная Силиконовая долина. Основной продукцией стал 4-х-слойный диод, называемый в среде профессионалов транзисторным диодом или диодом Шокли.
По задумке автора приборы должны были прийти на замену обычным реле в отрасли связи. Но из-за сложности реализации идея пришлась не по зубам технологии того времени. Читатели уже догадались, что речь идёт о тиристорах с регенеративной характеристикой. Таким образом, диодом можно назвать и указанное полупроводниковое изделие. А точнее – диодом Шокли.
Состоит он из 4-х чередующихся по типу проводимости слоёв полупроводника. Крайний n-типа называется катодом, а противоположный анодом, как у обычного диода. Работа диода Шокли основана на лавинном пробое, после понижения напряжения переходы вновь запираются, и система возвращается в исходное состояние.
Новое время
Если в начале 70-х по производству полупроводниковых материалов однозначно лидировали США, на заре 80-х Япония стала наращивать темпы. Юго-Восточная Азия и Европа стали последними, кто присоединился к этой гонке. Сегодня четыре упомянутых региона примерно поровну поделили объёмы производства, и, конечно, одеяло тянет на себя Китай: за первое десятилетие XXI века удвоил объёмы выпуска. По некоторым прогнозам Пекин к 2020 году возьмёт половину от мирового производства.
vashtehnik.ru
типы, классификация, принцип действия, характеристики, устройство и применение
Полупроводниковые диоды широко применяются в электронике и электронной промышленности. Они используются как самостоятельно, так и в качестве p-n-перехода транзисторов и многих других устройств. Как дискретный компонент диоды являются ключевой частью многих электронных схем. Они находят множество применений, начиная от маломощных приложений до выпрямителей тока.
Что такое диод?
В переводе с греческого название данного электронного элемента буквально обозначает «два вывода». Они называются анодом и катодом. В цепи ток проходит от анода к катоду. Полупроводниковый диод является односторонним элементом, и движение тока в противоположном направлении блокируется.
Принцип действия
Устройство полупроводниковых диодов очень разное. Это является причиной того, что существует много их типов, которые различаются как по номиналу, так и по исполняемым ими функциям. Тем не менее в большинстве случаев основной принцип работы полупроводниковых диодов одинаков. Они содержат р-n-переход, который и обеспечивает их базовую функциональность.
Этот термин обычно используется по отношению к стандартной форме диода. В действительности же он применим практически к любому их типу. Диоды составляют основу современной электронной промышленности. Все – от простых элементов и транзисторов до современных микропроцессоров – базируется на полупроводниках. Принцип действия полупроводникового диода основан на свойствах полупроводников. Технология опирается на группу материалов, внесение примесей в кристаллическую решетку которых позволяет получить участки, в которых носителями заряда являются дырки и электроны.
Р-n-переход
Диод р-n-типа получил свое название потому, что в нем используется р-n-переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Элемент обладает и другими свойствами, которые также находят широкое применение. Полупроводниковые диоды, например, способны излучать и регистрировать свет, изменять емкость и регулировать напряжение.
P-n-переход является базовой полупроводниковой структурой. Как следует из названия, он представляет собой соединение между областями p- и n-типа. Переход позволяет носителям заряда двигаться только в одном направлении, что, например, дает возможность преобразовывать переменный ток в постоянный.
Стандартные диоды обычно производятся из кремния, хотя также используется германий и другие полупроводниковые материалы, в основном для специальных целей.
Вольт-амперная характеристика
Диод характеризуется вольт-амперной кривой, которую можно разделить на 2 ветви: прямую и обратную. В обратном направлении ток утечки близок к 0, но с ростом напряжения он медленно увеличивается и при достижении напряжения пробоя начинает резко возрастать. В прямом направлении ток быстро нарастает с увеличением приложенного напряжения выше порога проводимости, который составляет 0,7 В для диодов из кремния и 0,4 В из германия. Элементы, в которых используются другие материалы, имеют другие вольт-амперные характеристики и напряжения порога проводимости и пробоя.
Диод c р-n-переходом можно рассматривать как устройство базового уровня. Он широко используется во многих приложениях – от сигнальных цепей и детекторов до ограничителей или подавителей переходных процессов в индукционных или релейных катушках и выпрямителей высокой мощности.
Характеристики и параметры
Спецификации диодов предоставляют большой объем данных. При этом точные пояснения того, что они собой представляют, не всегда доступны. Ниже приведены подробные сведения о различных характеристиках и параметрах диода, которые приводятся в спецификациях.
Материал полупроводника
Материал, используемый в р-n-переходах, имеет первостепенное значение, поскольку он влияет на многие основные характеристики полупроводниковых диодов. Наиболее широко применяется кремний, поскольку он отличается высокой эффективностью и низкими производственными издержками. Еще одним часто используемым элементом является германий. Другие материалы, как правило, применяются в диодах специального назначения. Выбор полупроводникового материала важен, поскольку от него зависит порог проводимости – около 0,6 В для кремния и 0,3 В для германия.
Падение напряжения в режиме прямого тока (U пр.)
Любая электрическая цепь, через которую проходит ток, вызывает падение напряжения, и этот параметр полупроводникового диода имеет большое значение, особенно для выпрямления, когда потери мощности пропорциональны U пр. Кроме того, электронные элементы часто должны обеспечивать небольшое падение напряжения, поскольку сигналы могут быть слабыми, но им все же необходимо преодолеть его.
Это происходит по двум причинам. Первая заключается в самой природе р-n-перехода и является результатом напряжения порога проводимости, которое позволяет току преодолеть обедненный слой. Вторая составляющая – нормальные резистивные потери.
Показатель имеет большое значение для выпрямительных диодов, по которым могут проходить большие токи.
Пиковое обратное напряжение (U обр. max)
Это наибольшее обратное напряжение, которое полупроводниковый диод может выдержать. Его нельзя превышать, иначе элемент может выйти из строя. Это не просто среднеквадратичное напряжение входящего сигнала. Каждая цепь должна рассматриваться по существу, но для простого выпрямителя с одной полуволной со сглаживающим конденсатором следует помнить, что конденсатор будет удерживать напряжение, равное пику входного сигнала. Затем диод будет подвергаться действию пика входящего сигнала в обратном направлении, и поэтому в этих условиях будет иметь место максимальное обратное напряжение, равное пиковому значению волны.
Максимальный прямой ток (U пр. max)
При проектировании электрической цепи необходимо удостовериться в том, что не превышаются максимальные уровни тока диода. По мере увеличения силы тока выделяется дополнительное тепло, которое необходимо отводить.
Ток утечки (I обр.)
В идеальном диоде обратного тока не должно быть. Но в реальных р-n-переходах он есть из-за присутствия в полупроводнике неосновных носителей заряда. Сила тока утечки зависит от трех факторов. Очевидно, что наиболее значимым из них является обратное напряжение. Также ток утечки зависит от температуры – с ее ростом он значительно повышается. Кроме того, он сильно зависит от типа полупроводникового материала. В этом отношении кремний намного лучше германия.
Ток утечки определяется при определенном обратном напряжении и конкретной температуре. Обычно он указывается в микроамперах (μA) или пикоамперах (pA).
Емкость перехода
Все полупроводниковые диоды обладают емкостью перехода. Обедненная зона представляет собой диэлектрический барьер между двумя пластинами, которые формируются на краю обедненного участка и области с основными носителями заряда. Фактическое значение емкости зависит от обратного напряжения, которое приводит к изменению переходной зоны. Его увеличение расширяет обедненную зону и, следовательно, уменьшает емкость. Этот факт используется в варакторах или варикапах, но для других применений, особенно радиочастотных, этот эффект необходимо свести к минимуму. Параметр обычно указывается в pF при заданном напряжении. Для многих радиочастотных применений доступны специальные низкоомные диоды.
Тип корпуса
В зависимости от назначения полупроводниковые диоды производятся в корпусах разного типа и формы. В некоторых случаях, особенно при использовании в схемах обработки сигналов, корпус является ключевым элементом в определении общих характеристик этого электронного элемента. В силовых цепях, в которых важно рассеивание тепла, корпус может определять многие общие параметры диода. Устройствам большой мощности необходимо иметь возможность крепления к радиатору. Небольшие элементы могут производиться в свинцовых корпусах или в качестве устройств для поверхностного монтажа.
Типы диодов
Иногда бывает полезно ознакомиться с классификацией полупроводниковых диодов. При этом некоторые элементы могут относиться к нескольким категориям.
Обращенный диод. Хотя он и не так широко используется, представляет собой разновидность элемента р-n-типа, который по своему действию очень похож на туннельный. Отличается низким падением напряжения в открытом состоянии. Находит применение в детекторах, выпрямителях и высокочастотных переключателях.
Инжекционно-пролетный диод. Имеет много общего с более распространенным лавинно-пролетным. Используется в СВЧ-генераторах и системах сигнализации.
Диод Ганна. Не относится к р-n-типу, но представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами. Он обычно используется для генерации и преобразования сигналов СВЧ в диапазоне 1-100 ГГц.
Светоизлучающий или светодиод – один из наиболее популярных типов электронных элементов. При прямом смещении ток, протекающий через переход, вызывает излучение света. В них используются составные полупроводники (например, арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид индия), и они могут светиться разными цветами, хотя первоначально ограничивались только красным. Существует множество новых разработок, которые меняют способ функционирования и производства дисплеев, примером которых являются OLED-светодиоды.
Фотодиод. Используется для обнаружения света. Когда фотон попадает на p-n-переход, он может создавать электроны и дырки. Фотодиоды обычно работают в условиях обратного смещения, при которых можно легко обнаружить даже небольшой ток, возникающий в результате действия света. Фотодиоды можно использовать для генерации электроэнергии. Иногда в качестве фотоприемников применяются элементы pin-типа.
Pin-диод. Название электронного элемента хорошо описывает устройство полупроводникового диода. У него стандартные области р- и n-типа, но между ними существует внутренняя область без примесей. Она оказывает эффект увеличения площади области истощения, которая может быть полезна для переключения, а также в фотодиодах и т. д.
Стандартный р-n-переход можно рассматривать как обычный или стандартный тип диода, который используется сегодня. Они могут применяться в радиочастотных или других низковольтных устройствах, а также в высоковольтных и высокомощных выпрямителях.
Диоды Шоттки. Имеют более низкое прямое падение напряжения, чем стандартные кремниевые полупроводники р-n-типа. При малых токах оно может составлять от 0,15 до 0,4 B, a не 0,6 В, как у кремниевых диодов. Для этого они изготавливаются не как обычно – в них используется контакт металл-полупроводник. Они широко применяются в качестве ограничителей, выпрямителей и в радиоаппаратуре.
Диод с накоплением заряда. Представляет собой разновидность СВЧ-диода, используемого для генерации и формирования импульсов на очень высоких частотах. Его работа основана на очень быстрой характеристике отключения.
Лазерный диод. Отличается от обычного светоизлучающего, поскольку производит когерентный свет. Лазерные диоды применяются во многих устройствах – от DVD и CD-приводов до лазерных указок. Они намного дешевле других форм лазеров, но значительно дороже светодиодов. Отличаются ограниченным сроком эксплуатации.
Туннельный диод. Хотя сегодня он широко не используется, ранее применялся в усилителях, генераторах и переключающих устройствах, схемах синхронизации осциллографов, когда он был эффективнее других элементов.
Варактор или варикап. Используется во многих радиочастотных устройствах. У данного диода обратное смещение меняет ширину слоя истощения в зависимости от приложенного напряжения. В этой конфигурации он действует как конденсатор с областью истощения, выполняющей роль изолирующего диэлектрика, и пластинами, образованными проводящими областями. Применяется в генераторах, управляемых напряжением, и радиочастотных фильтрах.
Стабилитрон. Является очень полезным типом диода, поскольку обеспечивает стабильное опорное напряжение. Благодаря этому стабилитрон используется в огромных количествах. Работает в условиях обратного смещения и пробивается при достижении определенной разницы потенциалов. Если ток ограничен резистором, то это обеспечивает стабильное напряжение. Широко используется для стабилизации источников питания. В стабилитронах имеют место 2 вида обратного пробоя: разложение Зинера и ударная ионизация.
Таким образом, различные типы полупроводниковых диодов включают элементы для маломощных и высокомощных применений, излучающие и обнаруживающие свет, с низким прямым падением напряжения и переменной емкостью. В дополнение к этому существует ряд разновидностей, которые используются в СВЧ-технике.
fb.ru