4. Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода.

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1) по конструкции: плоскостные диоды; точечные диоды; микросплавные диоды.

2) по мощности: маломощные; средней мощности; мощные.

3) по частоте: низкочастотные; высокочастотные; СВЧ.

4) по функциональному назначению: выпрямительные диоды; импульсные диоды; стабилитроны; варикапы; светодиоды; тоннельные диоды и так далее.

Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:

- маркировка диодов;

- условное графическое обозначение (УГО) – обозначение на принципиальных электрических схемах.

По ГОСТуна маркировка диодов состоит из 4 обозначений:

К С 156 А

Г Д 507 Б

I II III IV

I – показывает материал полупроводника:

Г(1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия.

II – тип полупроводникового диода:

Д – выпрямительные и импульсные диоды; А – диоды СВЧ; C – стабилитроны; В – варикапы; И – туннельные диоды; Ф – фотодиоды; Л – светодиоды; Ц – выпрямительные столбы и блоки.

III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам:

IV – модификация диодов в данной (третьей) группе.

На электронных схемах диоды обозначаются следующим образом:

ВыпрямительныйТуннельный

Обращённый

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.

Конструкция полупроводниковых диодов. Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда название).Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом. Большая плоскость p-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты () в постоянное. Они подразделяются на диоды:1)малой; 2) средней3) большоймощности.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

1)Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;

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

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

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

5)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 негодолжны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности, рассеиваемой диодом, т.е.. В противном случае наступает тепловой пробой диода.

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_стmin- минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;

I_стmax 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 =U/I.

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.

В схемах со стабилитроном должен быть ограничивающий резистор.

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.

На границе перехода неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, перебрасываются через переход в область, где они являются основными носителями. Электрический ток, созданный ими есть полный фототок. Если р-n-переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n-области и положительного в р-области зарядов. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (U_к-Е_ф). ЭДС Е_ф, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер Uк в р-n-переходе, называют фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС)

В данной ситуации фотодиод работает в режиме фотогенератора, преобразуя световую энергию в электрическую. 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÷единицымКанделл);

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

3)постоянное прямое напряжение ;

4)цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку; максимально допустимый постоянный прямой ток (десятки мА);

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