Презентация на тему: полупроводниковые приборы. Полупроводниковые диоды Физика полупроводниковый диод транзистор презентация

Содержание.1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Определение.
Область применения.
Принцип работы.
Разновидности устройств и их обозначение.
ВАХ.
Коэффициент выпрямления.
Мостовые схемы включения диодов.
Диоды Шотки.

Определение.

Выпрямительный диод - это
полупроводниковый прибор с
одним p-n переходом и с двумя
электродами, который служит
для преобразования
переменного тока в
постоянный.

Область применения.

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.

Принцип работы выпрямительного диода

Принцип работы этого устройства основывается на
особенностях p-n перехода. Анод присоединён к p
слою, катод к n слою. Возле переходов двух
полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют
носители заряда. Это запирающий слой. Его
сопротивление велико.
При воздействии на слой определенного внешнего
переменного напряжения, толщина его становится
меньше, а впоследствии и вообще исчезнет.
Возрастающий при этом ток называют прямым. Он
проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное
напряжение будет иметь другую полярность, то
запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет.

Разновидности устройств и их обозначение.

По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные.
В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение -
Si) и германиевые (обозначение - Ge). У первых рабочая температура выше.
Преимущество вторых - малое падение напряжения при прямом токе.
Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:
- Первый элемент – обозначение материала из которого он выполнен;
- Второй определяет подкласс;
- Третий обозначает рабочие возможности;
- Четвертый является порядковым номером разработки;
- Пятый – обозначение разбраковки по параметрам.

Параметры выпрямительных диодов.

Частотный диапазон выпрямительных диодов
невелик. При преобразовании промышленного
переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц,
предельная частота выпрямительных диодов не
превышает 20 кГц.
По максимально допустимому среднему прямому
току диоды делятся на три группы: диоды малой
мощности (Iпр.ср. ≤ 0,3 А), диоды средней
мощности (0,3 А < Iпр.ср. < 10 А) и мощные
(силовые) диоды (Iпр.ср. ≥ 10 А). Диоды средней и
большой мощности требуют отвода тепла, поэтому
они имеют конструктивные элементы для установки
на радиатор.

Параметры выпрямительных диодов.

В состав параметров диодов входят
диапазон температур окружающей среды (для
кремниевых диодов обычно от −60 до +125 °С)
и максимальная температура корпуса.
Среди выпрямительных диодов следует особо
выделить диоды Шотки, создаваемые на базе
контакта металл-полупроводник и
отличающиеся более высокой рабочей
частотой (для 1 МГц и более), низким прямым
падением напряжения (менее 0,6 В).

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперную характеристику (ВАХ)
выпрямительного диода можно
представить графически. Из графика
видно, что ВАХ устройства нелинейная.
В начальном квадранте Вольт-амперной
характеристики ее прямая ветвь
отражает наибольшую проводимость
устройства, когда к нему приложена
прямая разность потенциалов. Обратная
ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает
ситуацию низкой проводимости. Это
происходит при обратной разности
потенциалов.
Реальные Вольт-амперные характеристики
подвластны температуре. С
повышением температуры прямая
разность потенциалов уменьшается.

Коэффициент выпрямления

Коэффициент выпрямления можно рассчитать.
Он будет равен отношению прямого тока
прибора к обратному. Такой расчет приемлем
для идеального устройства. Значение
коэффициента выпрямления может достигать
нескольких сотен тысяч.
Чем он больше, тем лучше
выпрямитель делает свою
работу.

Мостовые схемы включения диодов.

Дио́дный мо́ст - электрическая схема,
предназначенная для преобразования
(«выпрямления») переменного
тока в пульсирующий. Такое выпрямление
называется двухполупериодным.
Выделим два варианта включения мостовых
схем:
1. Однофазную
2. Трехфазную.

Однофазная мостовая схема.

На вход схемы подается переменное напряжение (для простоты будем
рассматривать синусоидальное), в каждый из полупериодов ток
проходит через два диода, два других диода закрыты
Выпрямление положительной полуволны
Выпрямление отрицательной полуволны

результате такого преобразования на выходе мостовой схемы
получается пульсирующее напряжение вдвое большее частоты
напряжения на входе.
В
а) исходное напряжение (напряжение на входе), б)
однополупериодное выпрямление, с) двухполупериодное
выпрямление

Трехфазная мостовая схема.

В схеме трехфазного выпрямительного моста в результате
получается напряжение на выходе с меньшими пульсациями, чем
в однофазном выпрямителе.

Диоды Шотки

Диоды Шоттки получают, используя переход металл-полупроводник.
При этом применяют подложки из низкоомного n-кремния (или
карбида кремния) с высокоомным тонким эпитаксиальным слоем того
же полупроводника.
УГО и структура диода Шоттки:
1 –низкоомный исходный кристалл кремния
2 – эпитаксиальный слой высокоомного
‖
‖‖‖
Кремния
‖‖‖
3 – область объемного заряд
4 – металлический контакт

Диодные выпрямители Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (то есть 4 диода для однофазной схемы (6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы), соединённых между собой по схеме) - основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность. В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию - пробою. В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов. Диодные детекторы Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются почти во всех[источник не указан 180 дней] радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п.. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода. Диодная защита Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п. Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам. Диодные переключатели Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей. Диодная искрозащита Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.

1 из 16

Презентация на тему: Диод

№ слайда 1

Описание слайда:

№ слайда 2

Описание слайда:

№ слайда 3

Описание слайда:

Туннельный диод. Первая работа, подтверждающая реальность создания туннельных приборов была посвящена туннельному диоду, называемому также диодом Есаки, и опубликована Л.Есаки в 1958 году. Есаки в процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-n переходе обнаружил "аномальную" ВАХ: дифференциальное сопротивление на одном из участков характеристики было отрицательным. Этот эффект он объяснил с помощью концепции квантово-механического туннелирования и при этом получил приемлемое согласие между теоретическими и экспериментальными результатами.

№ слайда 4

Описание слайда:

Туннельный диод. Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p+-n+ перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается n-образная зависимость тока от напряжения. Как известно, в полупроводниках с высокой концентрацией примесей образуются примесные энергетические зоны. В n-полупроводниках такая зона перекрывается с зоной проводимости, а в p-полупроводниках – с валентной зоной. Вследствие этого уровень Ферми в n-полупроводниках с высокой концентрацией примесей лежит выше уровня Ec, а в р-полупроводниках ниже уровня Ev. В результате этого в пределах энергетического интервала DE=Ev-Ec любому энергетическому уровню в зоне проводимости n-полупроводника может соответствовать такой же энергетический уровень за потенциальным барьером, т.е. в валентной зоне p-полупроводника.

№ слайда 5

Описание слайда:

Туннельный диод. Таким образом, частицы в n и p-полупроводниках с энергетическими состояниями в пределах интервала DE разделены узким потенциальным барьером. В валентной зоне p-полупроводника и в зоне проводимости n-полупроводника часть энергетических состояний в интервале DE свободна. Следовательно, через такой узкий потенциальный барьер, по обе стороны которого имеются незанятые энергетические уровни, возможно туннельное движение частиц. При приближении к барьеру частицы испытывают отражение и возвращаются в большинстве случаев обратно, но все же есть вероятность обнаружения частицы за барьером, в результате туннельного перехода отлична от нуля и плотность туннельного тока j t0. Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p-n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p-n перехода (p+ – более сильнолегированная область). Тогда ширина p+-n+ перехода мала: Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:

№ слайда 6

Описание слайда:

Туннельный диод. Геометрическая ширина p+-n+ перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p+-n+ переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля!!!

№ слайда 7

Описание слайда:

Туннельный диод. Токи в туннельном диоде. В состоянии равновесия суммарный ток через переход равен нулю. При подаче напряжения на переход электроны могут туннелировать из валентной зоны в зону проводимости или наоборот. Для протекания туннельного тока необходимо выполнение следующих условий: 1)энергетические состояния на той стороне перехода, откуда туннелируют электроны, должны быть заполнены; 2) на другой стороне перехода энергетические состояния с той же энергией должны быть пустыми; 3)высота и ширина потенциального барьера должны быть достаточно малыми, чтобы существовала конечная вероятность туннелирования; 4) должен сохраняться квазиимпульс. Туннельный диод.swf

№ слайда 8

Описание слайда:

Туннельный диод. В качестве параметров используются напряжения и токи, характеризующие особые точки ВАХ. Пиковый ток соответствует максимуму ВАХ в области туннельнго эффекта. Напряжение Uп соответствует току Iп. Ток впадины Iв и Uв характеризуют ВАХ в области минимума тока. Напряжение раствора Upp соответствует значению тока Iп на диффузионной ветви характеристики. Падающий участок зависимости I=f(U) характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением rД= -dU/dI, величину которого с некоторой погрешностью можно определить по формуле

№ слайда 9

Описание слайда:

Обращенные диоды. Рассмотрим случай, когда энергия Ферми в электронном и дырочном полупроводниках совпадает или находится на расстоянии ± kT/q от дна зоны проводимости или вершины валентной зоны. В этом случае вольт-амперные характеристики такого диода при обратном смещении будут точно такие же, как и у туннельного диода, то есть при росте обратного напряжения будет быстрый рост обратного тока. Что касается тока при прямом смещении, то туннельная компонента ВАХ будет полностью отсутствовать в связи с тем, что нет полностью заполненных состояний в зоне проводимости. Поэтому при прямом смещении в таких диодах до напряжений, больше или равных половине ширины запрещенной зоны, ток будет отсутствовать. С точки зрения выпрямительного диода вольт-амперная характеристика такого диода будет инверсной, то есть будет высокая проводимость при обратном смещении и малая при прямом. В связи с этим такого вида туннельные диоды получили название обращенных диодов. Таким образом, обращенный диод – это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт-амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне.

№ слайда 10

Описание слайда:

Переходные процессы. При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде на основе обычного p-n перехода значение тока через диод, соответствующее статической вольт-амперной характеристике, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях обычно называют переходным процессом. Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением неосновных носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения. Рассмотрим изменения тока I при переключении диода с прямого напряжения U на обратное напряжение.

№ слайда 11

Описание слайда:

Переходные процессы. В стационарном случае величина тока в диоде описывается уравнением После завершения переходных процессов величина тока в диоде будет равна J0. Рассмотрим кинетику переходного процесса, то есть изменение тока p-n перехода при переключении с прямого напряжения на обратное. При прямом смещении диода на основе несимметричного p-n перехода происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода. Изменение во времени и пространстве неравновесных инжектированных дырок в базе описывается. уравнением непрерывности:

№ слайда 12

Описание слайда:

Переходные процессы. В момент времени t = 0 распределение инжектированных носителей в базе определяется из диффузионного уравнения и имеет вид: Из общих положений ясно, что в момент переключения напряжения в диоде с прямого на обратное величина обратного тока будет существенно больше, чем тепловой ток диода. Это произойдет потому, что обратный ток диода обусловлен дрейфовой компонентой тока, а ее величина в свою очередь определяется концентрацией неосновных носителей. Эта концентрация значительно увеличена в базе диода за счет инжекции дырок из эмиттера и описывается в начальный момент этим же уравнением.

№ слайда 13

Описание слайда:

Переходные процессы. С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За время t2, называемое временем восстановления обратного сопротивления, или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному тепловому току. Для описания кинетики этого процесса запишем граничные и начальные условия для уравнения непрерывности в следующем виде. В момент времени t = 0 справедливо уравнение распределения инжектированных носителей в базе. При установлении стационарного состояния в момент времени стационарное распределение неравновесных носителей в базе описывается соотношением:

№ слайда 14

Описание слайда:

Переходные процессы. Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе области пространственного заряда p-n перехода: Процедура нахождения кинетики обратного тока следующая. Учитывая граничные условия, решается уравнение непрерывности и находится зависимость концентрации неравновесных носителей в базе p(x,t) от времени и координаты. На рисунке приведены координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени. Координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени

№ слайда 15

Описание слайда:

Переходные процессы. Подставляя динамическую концентрацию p(x,t), находим кинетическую зависимость обратного тока J(t). Зависимость обратного тока J(t) имеет следующий вид: Здесь – дополнительная функция распределения ошибок, равная Первое разложение дополнительной функции ошибок имеет вид: Разложим функцию в ряд в случаях малых и больших времен: t > p. Получаем: Из этого соотношения следует, что в момент t = 0 величина обратного тока будет бесконечно большой. Физическим ограничением для этого тока будет служить максимальный ток, который может протекать через омическое сопротивление базы диода rБ при обратном напряжении U. Величина этого тока, называемого током среза Jср, равна: Jср = U/rБ. Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза.

№ слайда 16

Описание слайда:

Переходные процессы. Для импульсных диодов время среза τср и время восстановления τв обратного сопротивления диода являются важными параметрами. Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшать время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.perpr_pn.swf Зависимость обратного тока от времени при переключении диода

Глава 2 Полупроводниковые диодыПолупроводниковый
диод
представляет
собой
полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя
выводами. Большинство диодов изготовлены на основе
несимметричных p-n-переходов. При этом одна из областей
диода, обычно (р+) высоколегированна и называется эмиттер,
другая
(n)
слаболегированная
–
база.
Р-n-переход
размещается в базе т.к она слаболегирована.
Структура, условное обозначение и название выводов
показаны на рис. 3.1. Между каждой внешней областью
полупроводника и ее выводом имеется омический контакт,
который на рис. 3.1 показан жирной чертой.
В зависимости от технологии изготовления различают:
точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной
базой, эпитаксиальные и др.
По
функциональному
назначению
диоды
делятся:
выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и
стабисторы, варикапы, тунельные и обращенные, а также СВЧдиоды и др.

Классификация диодов по функциональному назначению и их УГО

2.1. Вольт-амперная характеристика диода

ВАХ реального диода имеет ряд отличий от ВАХ p-n-перехода (рис.3.2).
При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление
областей базы rб и эмиттера rэ диода (рис.3.3.), обычно rб>>rэ. Падение
напряжения на обьемном сопротивлении от тока диода, становятся
существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того,
часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате
напряжение непосредственно на р-n-переходе будет меньше напряжения,
приложенного к внешним выводам диода. Это приводит к смещению прямой
ветви ВАХ вправо (кривая 2) и почти линейной зависимости от приложенного
напряжения.
ВАХ диода с учетом обьемного сопротивления записывается выражением
φU
I I 0 e T 1
Uφ Irб
I I 0 e T 1
где Uпр - напряжение, приложенное к выводам; r - суммарное сопротивление базы и
электродов диода, обычно r=rб.
При обратном смещении диода ток диода не остается постоянным равным I0
т.е. наблюдается рост обратного тока.
Это объясняется тем, что обратный ток диода состоит из трех составляющих:
Iобр =I0 + Iтг + Iут
U φ Irб
T
I I0 e
1
где I0 – тепловой ток перехода;
Iтг – ток термогенерации. Он возрастает с увеличением обратного напряжения.
Это связано с тем, что p-n перехода расширяется, увеличивается его объем и
следовательно увеличивается количество неосновных носителей, образующихся
в нем за счёт термогенерации. Он на 4-5 порядка больше тока I0.
Iут – ток утечки. Он связан конечной величиной проводимости поверхности
кристалла, из которого изготовлен диод. В современных диодах он всегда
меньше термотока.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый
прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются
различные свойства р-n- перехода (одностороняя проводимость, электрический пробой,
туннельный эффект, эл. емкость).
Выпрямительный диод
Германиевый диод Кремниевый диод
Стабилитрон
Варикап
Тунельный диод
Обращенный диод

2.2. Эквивалентная схема диода

Это схема, состоит из электрических элементов, которые учитывают
физические процессы, происходящие в p-n переходе, и влияние
элементов конструкции на электрические свойства.
Эквивалентная схема замещения p-n переходеа при малых
сигналах, когда можно не учитывать нелинейных свойств диода
приведена на рис. .
Здесь Сд - общая емкость диода, зависящая от режима; Rп = Rдиф
- дифференциальное сопротивление перехода, значение которого
определяют с помощью статической ВАХ диода в заданной рабочей
точки (Rдиф = U/ I|U=const); rб - распределенное электрическое
сопротивление базы диода, его электродов и выводов, Rут –
сопротивление утечки.
Иногда схему замещения дополняют емкостью между выводами
диода СВ, емкостями Свх и Свых (показаны пунктиром) и
индуктивностью выводов LВ.
Эквивалентная схема при больших сигналах аналогична
предыдущей. Однако в ней учитываются нелинейные свойства р-nперехода путем замены дифференциального сопротивления на
источник зависимый источник тока I = I0(eU/ T – 1).

2.3. Влияние температуры на ВАХ диода

I0(Т)=I(То)2(Т-То)/Т*,
Температура окружающей среды оказывает существенное влияние на
вольтамперную характеристику диода. С изменением температуры несколько
меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ.
При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных
носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока
перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих: Iо и Iтг), а также
уменьшению объемного сопротивления области базы. При увеличении
температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у
германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Зависимость
обратного тока от температуры аппроксимируется выражением
I0(Т)=I(То)2(Т-То)/Т*,
где: I(Т0)-ток измерен при температуре Т0; Т – текущая температура; Т*
- температура удвоения обратного тока - (5-6)0С – для Ge и (9-10)0С – для Si.
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет
максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80- 100 °С
для германиевых диодов и 150 - 200 °С для кремниевых..
Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно
изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную
нестабильность обратной ветви ВАХ.
Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и
становится более крутой (рис. 3.3). Это объясняется ростом Iобр (3.2) и
уменьшением rб, Последнее, уменьшает падение напряжения на базе, а
напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении
на внешних выводах.
Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится
температурный коэффициент напряжения (ТКН) т= U/ T, показывающий,
как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на
10С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до
+60"С т -2,3 мВ/°С.

2.4. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного
переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением
понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления
используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость.
В качестве выпрямительных диодов в источниках питания для выпрямления больших
токов используют плоскостные диоды. Они имеют большую площадь контакта р и п областей
и большую барьерную емкость (емкостное сопротивление Xc=1/(ωC), что не позволяет
выпрямлять на высоких частотах. Кроме того такие диоды имеет большую величину
обратного тока.
Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды,
являются (рисунок 2.1):
- максимальный прямой ток Iпр max;
- падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока Iпр (Uпр
0.3...0,7 В для германиевых диодов и Uпр 0,8...1,2 В -для кремниевых);
- максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода Uобр max ;
- обратный ток Iобр при заданном обратном напряжении Uобр (значение
обратного тока германиевых диодов на два -три порядка больше, чем у
кремниевых);
- барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения
некоторой величины;
- Fмах - диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного
снижения выпрямленного тока;
- рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне 60...+70°С, кремниевые - в диапазоне -60...+150°С, что объясняется малыми
обратными токами кремниевых диодов).
Средняя рассеиваемая мощность диода Рср Д – средняя за период мощность
рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.
Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока
службы или пробою диода.
Улучшая условия охлаждения (вентиляцией, применением радиаторов), можно
увеличить отводимую мощность и избежать теплового пробоя. Применение радиаторов
позволяет также увеличить прямой ток.

Однофазный однополупериодный выпрямитель
Однофазный двухполупериодный
выпрямитель со средней точкой
Промышленностью
выпускаются
кремниевые
выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные
напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при
обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для
одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для
увеличения
выпрямленного
тока
можно
применяться
параллельное включение диодов.
1) Однополупериодный выпрямитель. Трансформатор
служит для понижения амплитуды переменного напряжения.
Диод служит для выпрямления переменного тока.
2) Двухполупериодный выпрямитель. Предыдущая схема
имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что не
используется часть энергии первичного источника питания
(отрицательный полупериод). Недостаток устраняется в
схеме двухполупериодного выпрямителя.
В первый положительный (+) полупериод, ток
протекает так: +, VD3, RH↓, VD2, - .
Во второй – отрицательный (-) так: +, VD4, RH↓ , VD1,- .
В обоих случаях он
через нагрузку протекает в одном
направлении ↓- сверху вниз, т.е. происходит выпрямление
тока.
Однофазный мостовой выпрямитель

2.5. Импульсные диоды

Импульсные диоды – это диоды, которые предназначены для работы в ключевом режиме в импульсных схемах.Диоды в
таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:
1. Замкнутое, когда его сопротивление равно нулю Rvd =0.
2. Разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно Rvd=∞.
Этим требованиям удовлетворяют диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения. Они имеют малое
сопротивление при смещениях в прямом направлении,и большое сопротивление при смещениях в обратном направлении.
1. Важным параметром переключающих диодов является их быстродействие переключения. Факторами,
ограничивающими скорость переключения диода, является:
а) ёмкость диода.
б) скорость диффузии и связанные с ней время накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.
В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает
величину ёмкости диода. Однако, это уменьшает величину максимального прямого тока диода (Iпрям.max.). Импульсные
диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные, но имеют так же и специфические, связанные с
быстродействием переключения. К ним относятся:Время установления прямого напряжения на диоде (tуст): tуст. –
время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с
заданной точностью. Это время связанно со скоростью диффузии состоит в уменьшением сопротивления области базы за
счёт накопления в ней неосновных носителей заряда инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала
концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе
увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода. Время восстановления обратного сопротивления диода
(tвосст.): определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения
полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной
точностью. Это время связано с рассасыванием из базы неосновных носителей заряда накопленных при протекании
прямого тока. tвосст. – время, за которое обратный ток через диод при его переключении достигает своего
стационарного значения, с заданной точностью I0, обычно 10% от максимального обратного тока. tвосст.= t1.+ t2. , где
t1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в
ноль, t2. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода. В
целом время восстановление это время выключения диода, как ключа.

2.7. Стабилитроны и стабисторы

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, изготовленный из слабо
легированного кремния, который применяется для стабилизации постоянного
напряжения. ВАХ стабилитрона при обратном смещении имеет участок малой
зависимости напряжения от тока протекающего через него. Этот участок возникает за
счёт электрического пробоя (рис. 1.5).
Стабилитрон характеризуется следующими параметрами:
Номинальное напряжение стабилизации Uст. ном - номинальное напряжение
на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);
номинальный ток стабилизации Iст.ном – ток через стабилитрон при
номинальном напряжении стабилизации;
минимальный ток стабилизации Iст min - наименьшее значение тока
стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;
максимально допустимый ток стабилизации Iст max - наибольший ток
стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.
Дифференциальное сопротивление
Rст- отношение приращения напряжения
стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации: Rст=
ТКН – температурный коэффициент напряжения стабилизации:
ТКН
Uст / Iст.
U ст.ном.
100%
U ст.ном. T
– относительное изменение напряжения на стабилитроне приведённое к одному
градусу.
Uст.ном. < 5В – при туннельном пробое.
Uст.ном. > 5В – при лавинном пробое.
К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток
Imax, максимально допустимый импульсный ток Iпр.и max, максимально допустимую
рассеиваемую мощность Р max.

Параметрический стабилизатор напряжения (рис.9.). Он служит для обеспечения
постоянства напряжения на нагрузке (Uн) при изменении постоянного напряжения
питания (Uпит) или сопротивления нагрузки (Rн).
Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Ограничительное
сопротивление (Rогр) служит для установления и поддержания правильного режима
стабилизации. Обычно Rогр рассчитывают для средней точки ВАХ стабилитрона (рис.5).
Схема обеспечивает стабилизацию напряжения за счёт перераспределения токов IVD и
IН
Проведем анализ работы схемы.
По второму закону запишем соотношение:Uпит = (IVD + IН) Rогр+ Uн
Изменение напряжения питания на Uпит, приводит к появлению приращения
напряжению на нагрузке на Uн и токов IVD = Uн/rст, IН= Uн/ Rн. Запишем
исходное уравнение относительно приращений:
Uпит = (Uн/rст + Uн/ Rн) Rогр+ Uн = Uн(1/rст + 1/Rн) Rогр+ Uн.
Разрешим его относительно Uн, получим Uн = Uн/
Поскольку Rогр/rст велико, то Uн мало. Чем больше Rогр и меньше rст тем меньше
изменения выходного напряжения.
Расчёт схемы (обычно задано Uпит. и RН):
Выбор стабилитрона VD1 из условий:
и Iст.ном.> Iн.
2)Расчет
Rогр.
U вх. U ст.ном.
I ст.ном.
U ст.ном. U вых.
Разновидности стабилитронов:
1. Прецизионные. Они имею малое значение ТКН и нормированную величину
Uст.ном. Малое ТКН достигается путем включения последовательно со стабилитроном
(VD2), имеющим положительный ТКН диоды (VD1) в прямом направлении, ТКН которого
отрицателен. Поскольку общий ТКН равен их сумме, то он оказывается малым по
величине.
2. Двуханодный стабилитрон. Он состоит из двух стабилитронов включенных
встречно-последовательно и применяется для стабилизации амплитуды переменных
напряжений.
Стабисторы – это полупроводниковые диоды в которых для
стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. В таких
диодах база сильно легирована примесями (rб→0), а потому их прямая
ветвь практически идет вертикально. Параметры стабистора аналогичны
параметрам стабилитрона. Они применяются для стабилизации малых
напряжений (Uст.ном. ≈0.6В).), ток стабисторов – от 1мА до нескольких
десятков мА и отрицательный ТКН.

2.9. Туннельные и обращенные диоды

На границе сильно легированных (вырожденных) p-n структур с концентрацией примеси
имеет место туннельный эффект. n 10 20 эл/см 3
Он проявляется в том, что при прямом смещении на прямой ветви ВАХ появляется
спадающий участок АВ с отрицательным сопротивления Rдиф = U/ I|АВ=r- 0.
Пунктиром на графике показана ВАХ диода.
Это позволяет использовать такой диод в усилителях и генераторах электрических
колебаний в диапазоне СВЧ, а также в импульсных устройствах.
При обратном смещении ток из-за тунельного пробоя резко возрастает при малых
напряжениях.
Основные параметры туннельного диода следующие:
пиковый ток и напряжение пика Iп, Uп- ток и напряжение в точке А;
ток и напряжение впадины IВ - ток и напряжение в точке В;
отношение токов Iп/Iв;
напряжение пика - прямое напряжение, соответствующее току пика;
напряжение раствора Up - прямое напряжение, большее напряжения впадины, при
котором ток равен пиковому; индуктивность LД - полная последовательная индуктивность
диода при заданных условиях; удельная емкость Сд/Iп - отношение емкости туннельного
диода к пиковому току; дифференциальное сопротивление гдиф - величина, обратная
крутизне ВАХ; резонансная частота туннельного диода fо - расчетная частота, при
которой общее реактивное сопротивление р-n-перехода и индуктивности корпуса
туннельного диода обращается в нуль; предельная резистивная частота fR - расчетная
частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной
цепи, состоящей из р-n-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль; шумовая
постоянная туннельного диода Кш - величина, определяющая коэффициент шума диода;
сопротивление потерь туннельного диода Rn - суммарное сопротивление кристалла,
контактных присоединений и выводов.
К максимально допустимым параметрам относят максимально допустимый постоянный
прямой ток туннельного диода Iпр max, максимально допустимый прямой импульсный ток
Iпр.и max максимально допустимый постоянный обратный ток Iобр mах,
максимально допустимую мощность СВЧ Рсвч mах, рассеиваемую диодом.

Схема генератора гармонических колебаний на
ТД приведена на рис. . Назначение элементов: R1,
R2 – резисторы, задают рабочую точку туннельного
диода на середине участка ВАХ с отрицательным
сопротивлением; Lk, Ck – колебательный контур; Сбл
ёмкость
блокировочная,
по
переменной
составляющей она подключает туннельный диод
параллельно к колебательному контуру.
Туннельный диод, включённый параллельно
колебательному
контуру
компенсирует
своим
отрицательным
сопротивлением
сопротивление
потерь колебательного контура, а потому колебания
в нем могут продолжаться бесконечно долго.
Обращенные диоды являются разновидностью
туннельных диодов. В них концентрация примесей
несколько меньше чем в туннельных. За счет этого у
них
отсутствует
участок
с
отрицательным
сопротивлением. На прямой ветви до напряжений
0,3-0,4В
имеется
практически
горизонтальный
участок с малым прямым током (рис. .), в то время
как
ток
обратной
ветви
начиная
с
малых
напряжений, за счет туннельного пробоя, резко
возрастает. В этих диодах, для малых переменных
сигналов,
прямую
ветвь
можно
считать
не
проводящей ток, а обратную – проводящей. Отсюда и
название этих диодов.
Обращенные
диоды
используются
для
выпрямления СВЧ сигналов малых амплитуд (100300)мВ.

2.10. Маркировка полупроводниковых диодов

Маркировка состоит из шести элементов, например:
КД217А
или К С 1 9 1 Е
123456
123456
1 - Буква или цифра, указывает вид материала, из которого изготовлен диод:
1 или Г – Ge (германий); 2 или К – Si (кремний); 3 или А – GeAs.
2 - буква, указывает тип диода по его функциональному назначению:
Д – диод; С – стабилитрон, стабистор; В – варикап; И – туннельный диод; А –
СВЧ диоды.
3. Назначение и электрические свойства.
4 и - 5 указывают порядковый номер разработки или электрические свойства
(в стабилитронах – это напряжение стабилизации; в диодах – порядковый
номер).
6. - Буква, указывает деление диодов по параметрическим группам (в
выпрямительных диодах – деление по параметру Uобр.max, в стабилитронах
деление по ТКН).

Дисциплина: Электротехника и электроника

Лектор: Погодин Дмитрий Вадимович
Кандидат технических наук,
доцент кафедры РИИТ
(кафедра Радиоэлектроники и
информационно-измерительной
техники)
Электротехника и электроника

Слайд 1

Слайд 2

Проводники, диэлектрики и полупроводники. Собственная (электронно-дырочная) электрическая проводимость. Примесная (электронно-дырочная) электрическая проводимость. Электронно-дырочный переход. Контакт двух полупроводников с р- и n- проводимостью. P- n переход и его свойство. Строение полупроводникового диода. Вольт - амперная характеристика полупроводникового диода. * * * * Применение полупроводников (выпрямление переменного тока)*. Однополупериодное выпрямление переменного тока.* Двухполупериодное выпрямление переменного тока.* Светодиоды*.

Слайд 3

В данную версию презентации включены 25 слайдов из 40, просмотр некоторых из них ограничен. Презентация носит демонстрационный характер. Полная версии презентации содержит практически весь материал по теме «Полупроводники», а также дополнительный материал, который следует более детально изучить в профильном физико-математическом классе. Полную версию презентации можно скачать на сайте автора LSLSm.narod.ru.

Слайд 4

Непроводники (диэлектрики)

Проводники

Прежде всего поясним само понятие – полупроводник.

По способности проводить электрические заряды вещества условно делятся на проводники и непроводники электричества.

Тела и вещества, в которых можно создавать электрический ток, называют проводниками.

Тела и вещества, в которых нельзя создавать электрический ток, называют непроводниками тока.

Металлы, уголь, кислоты, растворы солей, щелочи, живые организмы и многие другие тела и вещества.

Воздух, стекло, парафин, слюда, лаки, фарфор, резина, пластмассы, различные смолы, маслянистые жидкости, сухое дерево, сухая ткань, бумага и другие вещества.

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и непроводниками.

Слайд 5

Бор B, углерод C, кремний Si фосфор Р, сера S, германий Ge, мышьяк As, селен Se, олово Sn, сурьма Sb, теллур Te и йод I.

Полупроводники - это ряд элементов таблицы Менделеева, большинство минералов, различные окислы, сульфиды, теллуриды и другие химические соединения.

Слайд 6

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра по стабильным орбитам.

Электронная оболочка атома германия состоит из 32 электронов, четыре из которых вращаются по его внешней орбите.

Электронная оболочка атома

Ядро атома

Сколько электронов у атома германия?

Четыре внешних электрона, называемые валентными, существенным образом определяют атома германия. Атом германия стремится приобрести устойчивую структуру, присущую атомам инертных газов и отличающуюся тем, что на внешней их орбите находится всегда строго определенное число электронов (например, 2, 8, 18 и т. д.).Таким образом, для приобретения подобной структуры атому германия потребовалось бы принять на внешнюю орбиту еще четыре электрона.

Слайд 7

Слайд 8

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок.

ρмет = f(Т) ρполуп = f(Т)

Повысим температуру полупроводника.

Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При увеличении температуры полупроводника в единицу времени образуется большее количество электронно-дырочных пар.

Зависимость удельного сопротивления ρ металла от абсолютной температуры T

Собственная электрическая проводимость

Слайд 9

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников и поэтому называется собственной электрической проводимостью.

Примесная (электронно-дырочная) электрическая проводимость.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью.

Примесная (электронная) электрическая проводимость.

Примесная (дырочная) электрическая проводимость.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примесными центрами могут быть: атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника; избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки; различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

Слайд 10

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Дальнейшее содержание слайда в полной версии презентации.

Слайд 11

Слайд 12

Слайд 14

Слайд 15

Слайд 16

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Изображают полупроводниковые диоды на электрических схемах в виде треугольника и отрезка, проведенного через одну из его вершин параллельно противолежащей стороне. В зависимости от назначения диода его обозначение может содержать дополнительные символы. В любом случае острая вершина треугольника указывает на направление протекания прямого тока через диод. Треугольник соответствует р-области и называется иногда анодом, или эмиттером, а прямолинейный отрезок - n-области и называется катодом, или базой.

База Б Эмиттер Э

Слайд 17

Слайд 18

По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными или точечными.

Как правило, диоды изготавливают из кристалла германия или кремния, с проводимостью n-типа. В одну из поверхностей кристалла вплавляют каплю индия. Вследствие диффузии атомов индия в глубь второго кристалла, в нём образуется область p-типа. Остальная часть кристалла по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между ними и возникает p-n - переход. Для предотвращения воздействия влаги и света, а также для прочности кристалл заключают в корпус, снабжая контактами. Германиевые и кремниевые диоды могут работать в разных интервалах температур и с токами различной силы и напряжения.