Диффузионнй диод
Конструкции сплавных и диффузионных диодов аналогичны.
При изготовлении диффузионных диодов p-n переход создается при высокой температуре диффузией примеси в кремний или германий из среды, содержащей пары примесного материала.
Рис. 6.3 Диффузионный диод
Диффузионный плоскостной р-n переход изготавливается на основе кремния n-типа или германия р-типа.
Диффузантами в первом случае является бор (В), а во втором - сурьма (Sb). Диффузия осуществляется при нагреве в водородной печи.
Пластина Si нагревается до температуры, близкой к температуре плавления, а таблетка бора до испарения. В этих условиях атомы бора (B) напыляются на поверхность пластины и диффундируют вглубь ее. Вследствие этого на поверхности кристалла Si образуется слой Si p-типа. Последующим травлением этот слой удаляется со всех граней пластинки, кроме одной.
Между диффузионным слоем кремния p-типа и пластинкой Si n-типа образуется плавный р-n переход (рис.6.3), в котором эмиттером является высоколегированный диффузионный слой.
Метод диффузии позволяет достаточно точно контролировать процесс изготовления перехода, вследствие чего обеспечивается однородность параметров изготовляемых переходов.
Конструктивно плоскостные диффузионные диоды оформляются в металлические корпуса с выводами. Для улучшения теплоотвода кристалл припаивается непосредственно к корпусу, который служит одним из выводов.
Эпитаксиальные диоды
Эпитаксиальные (планарные, эпитаксиально - планарные диффузионные диоды) изготавливаются методом эпитаксии и локальной диффузии.
Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, выполняющую роль несущей конструкции структуры с сохранением ориентации кристаллов подложки.
Эпитаксия позволяет выращивать слои любого типа проводимости, требуемого удельного сопротивления и любой толщины (до нескольких микрометров).
Локальной диффузией называется создание p-n перехода путем диффузии примесных атомов в эпитаксиальный слой через окно в маске (например, из оксида кремния)
Рис. 6.4 Эпитаксиально -планарный диод, p-n переход -1
Последовательность изготовления: базу изготовляют путем наращивания на подложке (4) с повышенной проводимостью эпитаксиального n-слоя (3) с пониженной проводимостью, окисление (2) - создание оксидного слоя Si02, формирование "окна" в оксидном слое двуокиси кремния Si02 путем травления пленки окисла, затем производят диффузию донорной примеси (бора или алюминия) в эпитаксиальный слой через окно, создается р-n переход (1).
Производится металлизация площадок на n+ и p+ для выводов.
Производится формирование выводов и монтаж в корпус.
Планарные диффузионные диоды характеризуются высокой надежностью, стабильностью параметров и большим сроком службы.
Плоскостные диоды имеют большие площади перехода, вследствие чего им присущи большие емкости и большие рабочие токи (до сотен и даже тысячи ампер). Используются в низкочастотных мощных электронных устройствах (силовых).
Выпрямительные диоды
Предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное напряжение (ток) в схемах электронных стабилизаторов.
Полупроводниковые выпрямительные диоды по эксплуатационной надежности и сроку службы значительно превосходят все остальные типы вентилей (ламповые). Поэтому они наиболее широко используются в источниках питания.
ВАХ диодов - основная характеристика полупроводниковых диодов.
Пример
Эквивалентная схема выпрямительного диода
Рис. 6.5 Эквивалентная электрическая схема диода
rpn = T/I (6.1)
T температурный потенциал;
rб – единицы- десятки [Ом];
Сд – единицы- десятки [пФ]
Прямое падение напряжения выпрямительных кремниевых диодов не превышает
(1-2)В и больше, чем у германиевых.
Т.о., в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.
Но кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые поэтому они получили преимущественное распространение.
Допустимое обратное напряжение германиевых диодов лежит в пределах:
Uo6pGe= 100- 400В, кремниевых диодов: Uo6psi = 1 000 - 1500B.
Пример: выпрямитель на диоде
Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойстве
p-n перехода пропускать ток только в одном направлении. Простейшая (однополупериодная) схема выпрямителя на полупроводниковом диоде рис.6.6:
Рис. 6.6 Схема однополупериодного выпрямителя
Трансформатор служит для преобразования величины напряжения, т.е. для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя.
В этой схеме ток через диод и нагрузку RH протекает только в положительные полупериоды входного напряжения Uex, и кривая напряжения на нагрузке будет состоять из положительных полуволн синусоиды (если емкость С отключена)
Рис. 6.7
Емкость С сглаживает однополярные пульсации напряжения на нагрузке Rн.
Для того, чтобы избежать потери полупериода напряжения используется двухполупериодная схема выпрямителей - схемы со средней точкой и мостовая.
а) прохождение положительной и отрицательной полуволн тока
б)
Рис.6.8 Включение диодов в мостовой схеме (а) и эпюры входного выходного напряжения однополупериодной и двухполупериодной схем (б).
Параметры выпрямительного диода (основные)
1. Максимально допустимый прямой ток диода Inр. max
2. Прямое падение напряжения Unp - значение прямого напряжения на диоде при заданном
значении прямого тока;
3. Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max
4. Максимальная рабочая частота, fmax
5. Максимальная допустимая рассеиваемая мощность Рдоп.max
Стабилитрон
Стабилитрон - полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.
Рис. 6.8 Условное графическое обозначение
В качестве материала для полупроводниковых стабилитронов используется, как правило, кремний, обладающий высокой температурной стабильностью.
Рис. 6.9 ВАХ стабилитрона
В прямом включении ВАХ стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода.
Обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов.
Нормальным режимом работы стабилитрона является работа при обратном напряжении на участке электрического пробоя р-n перехода.
По сравнению с обычными диодами стабилитрон имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.
Полупроводниковый материал стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих примесей (узкий переход). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие нарушения теплового баланса).
В основе работы стабилитрона лежат два механизма:
- лавинный пробой (пробой Аваланчи, avalanche breakdown) обычно развивается в достаточно широких p-n-переходах. Напряжение стабилизации > 5-6В.
- туннельный пробой (пробой Зенера, Zener, в англоязычной литературе, диод Зенера),
развивается в тонких р-n переходах при большой напряженности электрического поля. Напряжение стабилизации < 5В.
Они присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них.
При изменении в широких пределах тока через прибор падение напряжения на нем практически не изменяется. Это свойство кремниевых стабилитронов и позволяет использовать их в качестве стабилизатора напряжения.
Для того, чтобы предотвратить тепловой пробой в конструкции стабилитрона предусмотрен отвод тепла от р-n перехода.
Пример: Схема включения стабилитрона (параметрический стабилизатор)
Простейшая схема стабилизации постоянного напряжения – рис. 6.10
Выходное напряжение стабилизатора должно оставаться постоянным при изменении выходного напряжения или изменения сопротивления нагрузки.
Рис. 6.10 Параметрический стабилизатор
Выходное напряжение стабилизатора не может быть абсолютно стабильным. Приращения Ucm малы, и зависят от приращений входного напряжения U вх .
U вх = U cm + IR0R0 , (6.2)
где rq - токоограничивающий резистор.
IR0 = (Uвх - Ucm)/ R0, (6.3)
При увеличении входного напряжения Uвх+ Uвх
I’R0 = (Uвх+ Uвх - Ucm)/ R0 (6.4)
При этом I’R0 > IR0 и I’cm > Icm ток через стабилитрон увеличивается.
Параметром, определяющим качество стабилизатора является коэффициент стабилизации.
Коэффициент стабилизации определяется следующим образом:
(при этом 1Н считается постоянным)
(6.5)