Классификация полупроводниковых диодов.
На основе свойств полупроводниковых материалов созданы многочисленные группы приборов. Они составляют основу аналоговых и цифровых устройств, на которых, в свою очередь, создается современная аппаратура автоматики и связи.
1. Приборы, использующие свойства полупроводников.
-Терморезисторы – сопротивления чувствительны к изменению температуры. Используются для измеряют СВЧ излучения, измерения температуры и температурной стабилизации режима других nполупроводниковых приборов.
-Тензорезисторы – это сопротивления у которых воздействием механических усилий меняется величина. Могут использоваться в микрофонах.
-Магниторезисторы - сопротивления чувствительные к напряженности магнитного поля, применяются для измерения напряженности этих полей.
2. Приборы, использующие свойства контактов. Это различные типы диодов.
-Выпрямительные диоды, применяются для выпрямления переменного напряжения.
-Стабилитроны, применяются для стабилизации напряжения.
-Импульсные диоды. Область применения - переключающие схемы.
-Варикапы – электрически управляемые конденсаторы.
-Туннельные диоды – для генерации и усиления электрических сигналов.
-Варисторы – нелинейные полупроводниковые сопротивления. Не совсем диоды, но в них используется свойство p-n перехода.
3. Транзисторы, самые популярные полупроводниковые приборы. Используются при создании генераторов, усилителей и т. д. Обязательно требуют источника питания, у которого забирается мощность необходимая для преобразования сигнала. По этому признаку транзисторы считаются активными приборами.
-Биполярные транзисторы, имеют два p-n перехода, имеют структуру p-n-p – транзистор прямой проводимости и n-p-n - транзистор обратной проводимости.
-Полевые транзисторы. Довольно многочисленная группа; с p-n переходом, транзисторы Шоттки, МОП (МДП) транзисторы, которые бывают с индуцированным каналом и встроенным каналом.
4.Тиристоры, это 4-х слойные структуры p-n-p-n. Область применения – коммутация больших токов и напряжений (переключатели).
-Динисторы – неуправляемые тиристоры.
- Тиристоры – управляемые тиристоры.
-Симисторы – симметричные неуправляемые тиристоры.
-Триак - управляемые симметричные тиристоры.
5. Фоточувствительные приборы. Используются в оптических линиях связи и оптронах.
-Фоторезистор.
-Фотодиод.
-Фототранзистор.
-Фототиристор.
6. Светоизлучающие приборы. Используются в оптических линиях связи и оптронах.
-Полупроводниковый лазер на гетероструктурах.
-Инжекционный светодиод.
7. Микросхемы. Современные приборы, работающие на основе вышеперечисленных структур. По технологическому признаку имеются следующие микросхемы.
- Полупроводниковые, самые распространенные в настоящее время. Основа - полупроводниковый кристалл.
- Пленочные, элементы изготавливаются из пленок на диэлектрической подложке.
- Гибридные, используется полупроводниковая и пленочная технология.
Выпрямительные диоды.
Основной материал германий и кремеий (Ge, Si). Эти материалы имеют различную ширину запрещенной зоны и, следовательно, удельную проводимость. Германиевые диоды более низкоомные, что проявляется на вольт-амперной характеристике. На рис. 10 показаны характеристики таких диодов; они представлены теоретической зависимостью
,
где I0
– ток насыщения, e
– заряд электрона, k
– постоянная Больцмана, T
– абсолютная температура, U
– напряжение на диоде. Различия двух
типов диодов следующие.
Рис. 10 Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов
На прямой кривой, U>0:
Сопротивление у открытого Si диода выше, чем у Ge, так как кремний имеет большее сопротивление. Эта величина определяет мощность рассеиваемую диодом и играет роль при выпрямлении больших токов.
Пороговое напряжение, то - есть то напряжение, при котором диод открывается, больше у кремниевого диода и составляет примерно 0.7 В. Это весьма существенно при выпрямлении небольших напряжений.
На обратной ветви, U<0.
Обратный ток у германиевого диода больше, чем у кремниевого. Это следствие меньшей ширины запрещенной зоны у первого. По этому признаку качество Ge диода хуже.
При достаточно больших обратных напряжениях наступает резкое увеличение обратного тока; это явление пробоя. У Ge диода пробой носит тепловой характер. В результате этого диод разрушается безвозвратно. У Si диода пробой электрический и если ток ограничен разрушения не происходит. В известном смысле можно считать, что надежность кремниевого диода выше. Именно по этой причине этим диодом отдается предпочтение на практике.
Основные параметры выпрямительных диодов следующие.
1. Допустимый прямой ток, Iпр.
2. Прямое напряжение на открытом диоде, Uпр.
3. Обратный ток диода, Iобр (иногда обозначается как I0).
4. Допустимое обратное напряжение, Uоб доп.
Выбирая диод для использования, следует в первую очередь обратить внимание на эти параметры.
Для выпрямления больших токов и напряжений применяется особая конструкция диода, это p-i-n диоды. Его структура показана на рис. 11.
Рис.11 структура p-i-n диода.
Его особенность в наличии беспримесного I слоя и повышенной концентрации примесей в p, n. При прямом напряжении за счет высокой концентрации в p и n областях i область насыщается носителями тока, поэтому все три слоя имеют малое сопротивление. При обратном напряжении i-слой играет роль диэлектрика. Так как он имеет значительную толщину, для его пробоя требуется большое обратное напряжение.
Область применения диодов – схемы выпрямления. Их очень много, на рис. 12 приведена популярная мостовая схема выпрямителя
Рис. 12 Схема выпрямителя.
На рис. 13 показаны эпюры напряжения на входе и выходе схемы. Выходное напряжение однополярное, пульсирующее. Его необходимо сглаживать, для чего применяются сглаживающие устройства. Один из вариантов такого решения показан на рис.13. Здесь применяется сглаживающие устройства типа фильтр низкой частоты.
Uвых
Рис.12 Напряжения на входе и выходе выпрямителя
.
Рис. 13 Сглаживание выпрямленного напряжения.