Полупроводниковые (п/п) диоды. Классификация, параметры. Основные типы п/п диодов, их характеристики и применение. Выпрямители

Диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n -переходом и 2-мя выводами, с помощью которых он соединяется с внешней электрической цепью.

В основе классификации диодов лежат различные признаки:

· Вид электрического перехода (точечный, плоскостной);

· Физические процессы в переходе (туннельный, лавинно-пролетный);

· Характер преобразования энергии сигнала (фотодиод, светодиод, магнитодиод и т.д.);

· Диапазон рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ диоды);

· Конструктивно-технологические особенности (диффузионные, эпитаксиальные, Шотки и т.д.);

В курсе изучения электроники основное внимание будем уделять изучению диодов с точки зрения:

· Применяемого исходного материала для изготовления диодов: кремниевые, германиевые, селеновые и т.д.;

· Использованию нелинейных свойств p-n -перехода: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные.

На электронных схемах диоды обозначаются следующим образом:

Выпрямительный

Туннельный

Обращенный

Диоды являются полупроводниковыми приборами, которые пропускают ток в одном направлении. При прикладывании к диоду прямого напряжения («+» к аноду, а «-» к катоду), резко возрастает значение прямого тока, который во много раз больше обратного I _пр>>I_обр.

К основным статистическим параметрам диода относят прямое падение напряжения U_пр при заданном прямом токе I_пр, и постоянный обратный ток I_обр при заданном обратном напряжении U_обр.

Дифференциальное сопротивление диода r_диф характеризует динамические параметры и влияет на крутизну вольтамперной характеристики диода, т.е. само дифференциальное сопротивление зависит от приложенного напряжения и протекающего тока

Падение напряжения на отдельном диоде зависит от величины прямого тока I_пр, температуры и составляет для германиевых диодов 0.15-0.4 В, для кремневых 0.5-0.9 В. Обратный ток I_обр, протекающий через диод, сильно зависит от температуры, и при некотором значении U_обр приближается к некоторому постоянному значению (с увеличением температуры происходит увеличение обратного тока).

Предельное значение температуры для германиевых диодов составляет ; кремниевых диодов .

В электрических схемах диоды включаются в цепь в прямом направлении. Е – напряжение источника питания. В практических схемах в цепь диода всегда включается какая-либо нагрузка, например, резистор. Такой режим работы диода называется рабочим. Его расчет производится по известным значениям E, R_Н и ВАХ диода. Расчет производится по формуле.

В формуле две неизвестных . Решение производится графически. На ВАХ диода накладывается прямая нагрузка, которая строится по 2-м точкам на осях координат при:

, т. А на рисунке.

, что соответствует т. Б.

Через эти точки проводим прямую, которая и является линией нагрузки. Координаты т. Т определяют рабочий режим диода.

Рабочий режим характеризуется следующими параметрами: - максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом; температурные параметры.

Рассмотрим группу полупроводниковых диодов, особенность работы которых связана с использованием нелинейных свойств p-n -перехода.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты () в постоянное. Они подразделяются на диоды

· малой ,

· средней

· большой мощности.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

· Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;

· Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод;

· Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;

· Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

· Рабочий диапазон температур.

В рабочем режиме через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, вследствие чего температура перехода повышается. В установившемся режиме подводимая к переходу мощность и отводимая от него должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности , рассеиваемой диодом, т.е. . В противном случае наступает тепловой пробой диода.

Качество теплоотвода в диоде характеризуется параметром эксплуатационного режима – тепловым сопротивлением под которым подразумевается отношение разности температур электрического перехода и корпуса диода к мощности рассеиваемой на диоде установившемся режиме. Уменьшение позволяет при заданном значении увеличивать рабочую температуру перехода или при известном перепаде температур повышать прямые и обратные токи и напряжения диода. Это достигается применением специальных теплоотводов-радиаторов.

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в области, где изменение напряжения электрического пробоя слабо зависит от значения обратного тока и применяется для стабилизации напряжения.

Односторонний стабилитрон

Двусторонний стабилитрон

Основными параметрами стабилитронов являются:

U_ст - напряжение стабилизации при номинальном значении тока;

I_{ст min} - минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;

I_{ст max} максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;

R_ст - дифференциальное сопротивление, характеризующее изменение напряжения стабилизации при изменении тока: R_ст =DU/DI

При рассмотрении ВАХ стабилитрона видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. При обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении.

Принцип работы поясняет схема параметрического стабилизатора напряжения. Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором R_огр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резистора должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки. Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно, и на нагрузке, будет оставаться постоянным.

При напряжениях меньше 7В имеет место полевой (туннельный) пробой, больше 15В - лавинный пробой, от 7 до 15В - смешанный пробой. Пробои в стабилитронах обратимы.

В схемах со стабилитроном должен быть ограничивающий резистор.

Динамическое сопротивление, определяющее качество стабилитрона: (чем меньше, тем лучше)

Статическое сопротивление:

Коэффициент качества: =0,01 – 0,05

Температурный коэффициент напряжения: ТКН = (0,2 – 0,4%)/°С

Недостаток стабилитрона: при малых токах стабилизации <3 мА увеличивается и существенную роль играют шумы.

Фотодиодом называется фотоэлектрический прибор, имеющий один р-n -переход. В основе его работы лежит явление возрастания обратного тока р-n -перехода при его освещении, т.е. световой поток управляет обратным током фотодиода.

Фотодиоды имеют структуру обычного р-n -перехода (см. рис.), где а) - условное обозначение фотодиода, б) - структура фотодиода. Вследствие оптического возбуждения в р и n областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда.

Фотодиод может работать совместно с внешним источником (рис. в). При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через р-n- переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый напряжением источника и световым потоком. Значение фототока можно найти из выражения I _ф= S _инт Ф, где S _инт - интегральная чувствительность.

Фотодиод может включаться двумя способами:

· вентильный (гальванический) режим

· фотодиодный режим

Вольтамперные характеристики освещенного p-n -перехода показаны на рисунке.

Энергетические характеристики, которые связывают фототок со световым потоком, являются одними из основных характеристик фотодиода. Причем фотодиод может быть включен без внешнего источника ЭДС (генераторный режим), так и с внешним источником (см. рис.) а) - генераторный режим; б) - при работе с внешним источником).

Достоинства: большое быстродействие.

Недостатки: невысокая фоточувствительность.

Светодиодами называются полупроводниковые приборы, преобразующие электрические сигналы в оптическую лучистую энергию некогерентного светового излучения.

При приложении к светодиоду прямого напряжения происходит инжекция носителей заряда, которая в сочетании с рекомбинацией с неосновными носителями вызывает излучение.

Основные параметры:

1.сила света (десятые доли÷единицы мКанделл);

2.яркость (десятки÷сотни Кандел на кв.см);

3.постоянное прямое напряжение ;

4.цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку;

5.максимально допустимый постоянный прямой ток (десятки мА);

6.максимально допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В).

Используются: в оптических линиях связи, индикаторных устройствах, оптопарах.

Диоды в схемах выпря­мителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется о днополупериодным. Его недостаток – малый КПД.

Значительно чаще применяются двухполупериодные выпрямители.

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 – закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-).

В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагруз­ка, диод VD2, верхняя ветвь (-).

Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полуперио­да. Схема выпрямителя называется двухполупериодной.

Если понижающий трансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторич­ной обмотки, то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах.

Биполярные транзисторы: устройство, принцип действия, основные параметры и характеристики. Схемы включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК), общей базой (ОБ) – характеристики и применение. Полевые транзисторы.

Транзистором называется полупроводни­ковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усили­вать мощность. Классификация транзисторов производится по следующим признакам:

• По материалу полупроводника - обычно германиевые или кремниевые;

• По типу проводимости областей (только биполярные транзисторы): с прямой проводимо­стью (p-n-p - структура) или с обратной проводимостью (n-p-n - структура);

• По принципу действия транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполяр­ные);

• По частотным свойствам;

НЧ (<3 МГц);

СрЧ (3÷30 МГц);

ВЧ и СВЧ (>30 МГц);

• По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности СрМ (0,3÷3

Вт), мощные (>3 Вт). Маркировка.