Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и с двумя электродами. Принцип действия полупроводникового диода основан на явлении p-n перехода, поэтому для дальнейшего изучения любых полупроводниковых приборов нужно знать как работает .
Выпрямительный диод (также называют вентилем) — это разновидность полупроводникового диода который служит для преобразования переменного тока в постоянный.
У диода есть два вывода (электрода) анод и катод. Анод присоединён к p слою, катод к n слою. Когда на анод подаётся плюс, а на анод минус (прямое включение диода) диод пропускает ток. Если на анод подать минус, а на катод плюс (обратное включение диода) тока через диода не будет это видно из вольт амперной характеристики диода. Поэтому когда на вход выпрямительного диода поступает переменное напряжение через него проходит только одна полуволна.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.
Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. I. 2. В первом квадранте показана прямая ветвь характеристики, описывающая состояние высокой проводимости диода при приложенном к нему прямом напряжении, которая линеаризуется кусочно-линейной функцией
u = U 0 +R Д i
где: u — напряжение на вентиле при прохождении тока i; U 0 — пороговое напряжение; R д — динамическое сопротивление.
В третьем квадранте находится обратная ветвь вольт-амперной характеристики, описывающая состояние низкой проводимости при проложенном к диоду обратном напряжении. В состоянии низкой проводимости ток через полупроводниковую структуру практически не протекает. Однако это справедливо только до определённого значения обратного напряжения. При обратном напряжении, когда напряженность электрического поля в p-n переходе достигает порядка 10 s В/см, это поле может сообщить подвижным носителям заряда - электронам и дыркам, постоянно возникающим во всем объеме полупроводниковой структуры в результате термической генерации,- кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов кремния. Образовавшиеся дырки и электроны проводимости, в свою очередь, ускоряются электрическим полем p-n перехода и также ионизируют нейтральные атомы кремния. При этом происходит лавинообразное нарастание обратного тока, .т. е. лавинный пробои.
Напряжение, при котором происходит резкое повышение обратного тока, называется напряжением пробоя U 3 .
Полупроводниковые диоды и их характеристики
Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного - перехода и имеет два вывода: анод и катод. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в- переходе.
Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Д ля них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадь- перехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные - переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно , бывает достаточно низкоомной, а другая - высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении - перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина - перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то - переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.
Вольт-амперные характеристики реальных диодов и - переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рисунок 1.6). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в - переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения , в результате прямая ветвь диода проходит положе, чем впереходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеальногоперехода, т.к. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла .
Рисунок 1.6 - Условное обозначение диода (а);
вольт-амперные характеристики (в):
1 - идеального- перехода, 2 – реального диода
Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рисунок 1.7)
Рисунок 1.7 - Вольт-амперные характеристики германиевого (1),
кремниевого (2) диодов
Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника.
Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 - Зависимость вида ВАХ диода от температуры
С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока . Прямое напряжение изменяется на 2.1 мВ при изменении температуры на 1ºС.
Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше, чем германиевых.
В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:
Во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 Вт;
Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).
Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений и больших токов выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.
Основные параметры выпрямительных диодов:
максимально допустимое обратное напряжение диода - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;
средний выпрямленный ток диода - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;
импульсный прямой ток диода - пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;
средний обратный ток диода - среднее за период значение обратного тока;
среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;
средняя рассеиваемая мощность диода - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;
дифференциальное сопротивление диода - отношение приращения прямого напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.
U эл.проб. = 10 ÷1000 В – напряжение электрического пробоя.
U нас. = 0,3 ÷ 1 В – напряжение насыщения.
I a и U a – анодный ток и напряжение.
Участок I: – рабочий участок (прямая ветвь ВАХ)
Участки II, III, IV, - обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок)
Участок II: Если приложить к диоду обратное напряжение – диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный ток (ток дрейфа, тепловой ток), обусловленный движением не основных носителей.
Участок III: Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток)
Электрический пробой является обратимым, после снятия напряжения P-N-переход восстанавливается.
Участок IV: Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода и он сгорает.
Тепловой пробой - необратим.
Вслед за электрическим пробоем, очень быстро следует тепловой, поэтому диоды при электрическом пробое не работают.
Вольт-амперная характеристика идеального диода (вентиля)
Основные параметры полупроводниковых приборов
1. Максимально допустимый средний за период прямой ток (I ПР. СР.)
Это такой ток, который диод способен пропустить в прямом направлении.
Величина допустимого среднего за период прямого тока равна 70% от тока теплового пробоя.
По прямому току диоды делятся на три группы:
1) Диоды малой мощности (I ПР.СР < 0,3 А)
2) Диоды средней мощности (0,3
3) Диоды большой мощности (I ПР.СР > 10 А)
Диоды малой мощности не требуют дополнительного теплоотвода (тепло отводится с помощью корпуса диода)
Для диодов средней и большой мощности, которые не эффективно отводят тепло своими корпусами, требуется дополнительны теплоотвод (радиатор – кубик металла, в котором с помощью литья или фрезерования делают шипы, в результате чего возрастает поверхность теплоотвода. Материал - медь, бронза, алюминий, силумин)
2. Постоянное прямое напряжение (U пр.)
Постоянное прямое напряжение – это падение напряжения между анодом и катодом при протекании максимально допустимого прямого постоянного тока.
Проявляется особенно при малом напряжении питания.
Постоянное прямое напряжение зависит от материала диодов (германий - Ge, кремний - Si)
U пр. Ge ≈ 0.3÷0.5 В (Германиевые) U пр. Si ≈ 0.5÷1 В (Кремниевые)
Германиевые диоды обозначают – ГД (1Д) Кремниевые диоды обозначают – КД (2Д)
3. Повторяющееся импульсное обратное максимальное напряжение (U обр. max)
Электрический пробой идет по амплитудному значению (импульсу) U обр. max ≈ 0.7U Эл. пробоя (10÷100 В)
Для мощных диодов U обр. max = 1200 В.
Этот параметр иногда называют классом диода (12 класс -U обр. max = 1200 В)
4. Максимальный обратный ток диода (I max ..обр.)
Соответствует максимальному обратному напряжению (составляет единицы mA).
Для кремниевых диодов максимальный обратный ток в два раза меньше, чем для германиевых.
5. Дифференциальное (динамическое) сопротивление.
1. I пр max ≤30 А
2. U пр max ↓ ≤1.2 В
3. U обр max ≤1600
4. I обр max <100мА
Падение напряжения на отдельном диоде зависит от величины прямого тока и температуры и применяется в диапазоне для германиевых диодов, и для кремниевых.
Обратный ток, протекающий через диод, сильно зависит от температуры, и при некотором значении 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 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;
- Максимальным током в прямом направлении;
- 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.
Выпрямительные диоды применяются в цепях управления, коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в источниках питания для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. В зависимости от значения максимального выпрямляемого тока различают выпрямительные диоды малой мощности (\(I_{пр max} \le {0,3 А}\)), средней мощности (\({0,3 А} < I_{пр max} \le {10 А}\)) и большой мощности (\(I_{пр max} > {10 А}\)). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом, диоды средней и большой мощности должны располагаться на специальных теплоотводящих радиаторах, что предусматривается в т.ч. и соответствующей конструкцией их корпусов.
Обычно, допустимая плотность тока, проходящего через \(p\)-\(n\)-переход, не превышает 2 А/мм2, поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные \(p\)-\(n\)-переходы. Такие переходы имеют существенную емкость, что ограничивает максимальную допустимую рабочую частоту (\(f_р\)) выпрямительных диодов.
Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Поэтому диоды обладают односторонней проводимостью, что позволяет использовать их в качестве выпрямительных элементов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов различаются. На рис. 2.3‑1 для сравнения показаны типичные ВАХ для германиевых и кремниевых выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды.
Рис. 2.3-1. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды
По приведенным ВАХ видно, что обратный ток кремниевых диодов значительно меньше обратного тока германиевых диодов. Кроме того, обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в \(p\)-\(n\)-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. При подаче обратного напряжения превышающего некий пороговый уровень происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к пробою \(p\)-\(n\)-перехода. У германиевых диодов, вследствие большой величины обратного тока, пробой имеет тепловой характер. У кремниевых диодов вероятность теплового пробоя мала, у них преобладает электрический пробой. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому у них, в отличие от германиевых диодов, пробивное напряжение повышается с увеличением температуры. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов.
Обратные токи в значительной степени зависят от температуры перехода. Из рисунка видно, что с ростом температуры обратный ток возрастает. Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых - в 2,5 раза. Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет 75...80 °С, а кремниевых - 125 °С. Существенным недостатком германиевых диодов является их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам.
Вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. Прямое напряжение при малых прямых токах, когда преобладает падение напряжения на переходе, с ростом температуры уменьшается. При больших токах, когда преобладает падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, зависимость прямого напряжения от температуры становится положительной. Точка, в которой отсутствует зависимость прямого напряжения от температуры (т.е. эта зависимость меняет знак), называется точкой инверсии . У большинства диодов малой и средней мощности допустимый прямой ток, как правило, не превышает точки инверсии, а у мощных диодов допустимый ток может быть выше этой точки.
Вольтамперная характеристика (ВАХ) представляет собой график зависимости тока во внешней цепи p-n-перехода от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эта зависимость может быть получена экспериментально или рассчитана на основании уравнения вольтамперной характеристики. Тепловой ток p-n-перехода зависит от концентрации примеси и температуры. Увеличение температуры p-n-перехода приводит к увеличению теплового тока, а, следовательно, к возрастанию прямого и обратного токов.Увеличение концентрации легирующей примеси приводит к умень-шению теплового то-ка, а, следовательно, к уменьшению прямого и обратного токов p-n-перехода.
14. Пробой p - n –перехода – называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. Сопровождающееся
Резким увеличением обратного тока, при незначительно уменьшающемся и даже убывающем обратном напряжении:
Три вида пробоя:
1.Тунельный (электрический) – явление прохождение электронов через потенциальный барьер;
2. Лавинный (электрический) – возникает, если, при движении до очередного соударения с атомом дырка(электрон) приобретает энергию достаточную для ионизации атома;
3. Тепловой пробой (необратим) – возникает при разогреве полупроводника и соответствующем увеличением удельной проводимости.
15. Выпрямительный диод: назначение,вах, основные параметры, уго
Выпрямительные диоды служат для преобразования переменного тока в пульсирующий ток одного направления и используется в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры.
Германиевые выпрямительные диоды
Изготовление
германиевых выпрямительных диодов
начинается с вплавления индия в исходную
полупроводниковую пластину германия
n-типа.
В свою очередь исходная пластина
припаивается к стальному кристаллодержателю
для маломощных выпрямительных диодов
или к медному основанию для мощных
выпрямительных диодов. 
Рис 24 конструкция маломощного сплавного диода. 1- кристаллодержатель; 2 – кристалл; 3 – внутр. вывод; 4 – коваровый корпус; 5 – изолятор; 6 – коваровая трубка; 7 – внешний вывод
Рис
25 ВАХ
германиевого диода
Из рис 25 видно, что с ростом температуры в значительной степени увеличивается обратный ток диода, а величина пробивного напряжения уменьшается.
Германиевые диоды различного назначения имеют величину выпрямленного тока от 0,3 до 1000А. Прямое падение напряжения не превышает 0,5В, а допустимое обратное напряжение 400В. Недостатком германиевых диодов является их необратимый пробой даже при кратковременных импульсных перегрузках
Кремниевые выпрямительные диоды
Для получения p-n перехода в кремниевых выпрямительных диодах осуществляют вплавление алюминия в кристалл кремния n-типа, или сплава золота с сурьмой в кремний p-типа. Для получения переходов используют также диффузионные методы. Конструкции ряда маломощных кремниевых диодов практически не отличается от конструкций аналогичных германиевых диодов.