ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Полупроводниковый диод и его разновидности

123

Полупроводниковый диод [от греческого di- двойной и (электр)од] - двухэлектродный электронный прибор, изготовленный на основе полупроводникового кристалла и имеющий одностороннюю проводимость. Применяется в электрической и электронной аппаратуре для выпрямления переменного тока, детектирования, преобразования частоты, переключения цепей и др. Наиболее распространены полупроводниковые диоды на базе p-n перехода.

Основными исходными полупроводниковыми материалами из которых изготавливаются диоды (и иные полупроводниковые приборы) являются:

Si – кремний и его соединения (для большей части п-п приборов);

Ge – германий и его соединения;

Ga – галлий и его соединения;

In – индий и его соединения.

В зависимости от сферы применения, промышленностью выпускаются различные типы полупроводниковых диодов, отличающихся своими техническими характеристиками и параметрами.

Выпрямительный диод – предназначен для использования в выпрямителях переменного тока низкой частоты (обычно не выше 50 кГц). Основным параметрами такого диода являются максимальный прямой ток (от долей Ампер до килоАмпер – в зависимости от марки) и максимальное обратное напряжение (достигает 2000 В). Помимо одиночных диодов выпускаются диодные сборки и диодные столбы.

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, имеющий фиксированное напряжение пробоя при обратном включении, которое мало зависит от тока пробоя (в определенном диапазоне токов). Стабилитрон предназначен для стабилизации постоянных напряжений от единиц до десятков Вольт.

Более подробно свойства и характеристики выпрямительных диодов и стабилитронов рассмотрены ниже.

Высокочастотные и импульсные диоды – предназначены для использования в цепях переменного и импульсного тока высокой частоты (до ГГц). Основным параметрами такого диода, помимо максимального (импульсного) прямого тока и максимального обратного напряжения, являются величины паразитной емкости и время восстановления рабочих свойств при прохождении импульсного тока.

Стабистор – при полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений.

Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется не p-n-переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник. У диода Шоттки очень малый обратный ток и малое прямое падение напряжения. Кроме того эти диоды – очень быстродействующие элементы – они могут работать на частотах до десятков ГГц (1 ГГц = 10⁹ Гц). Выпрямительные (вентильные) параметры диодов Шоттки существенно превосходят аналогичные параметры кремниевых выпрямительных диодов: так, у диода Шотки U_пр._max_. £ 0,5 В, вместо 1 В у кремниевого диода; I_пр._max значительно превышает аналогичный прказатель кремниевых диодов (достигает сотен ампер), а I_об и U_об._max имеют тот же порядок. В силу указанных свойств, применение диодов Шотки в различных электронных устройствах является весьма перспективным, несмотря на их значительную стоимость.

Варикап – диод, предназначенный для работы в качестве конденсатора, емкость которого управляется напряжением (обратным). Основные параметры: C_u - емкость при заданном U_об. (единицы - сотни пФ), _U_об._max (до 150 В), K_с = C_umax / C_umin - коэффициент перекрытия по емкости (1,5 - 6);

Светодиод – диод предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения. Обычные светодиоды формируют некогерентное излучение, лазерные светодиоды - когерентное. В зависимости от выбранного материала и структуры p-n перехода излучение может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой области спектра. Основные параметры: цвет свечения (длина волны), яркость (Кд/м²) или сила света (мкКд), I_пр._max (типовое значение - 20 мА), U_пр._max (от 1,7 В для инфракрасных, и – до 4,2 В для синих и ультрафиолетовых), U_об._max (единицы - десятки В);

Фотодиод – диод обратный ток которого (так называемый фототок) изменяется пропорционально интенсивности светового потока, падающего на p-n-переход. В зависимости от выбранного материала и структуры p-n перехода максимум спектральной чувствительности фотодиода может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой области спектра. Основные параметры: область рабочего спектра (длина волны максимума спектральной чуствительности), яркость (Кд/м²) или сила света (мкКд), I_пр._max (типовое значение - 20 мА), U_пр._max (от 1,7 В для инфракрасных до 4,2 В для синих и ультрафиолетовых), U_об._max (единицы - десятки В);

Туннельный диод - диод, у которого, благодаря туннельному эффекту на прямой ветви ВАХ появляется участок с отрицательным сопротивлением. Это позволяет использовать туннельные диоды в генераторах, усилителях и переключателях, работающих на сверхвысоких частотах - до единиц ГГц. Обратная ветвь ВАХ туннельного диода практически подобна прямой ветви выпрямительного диода - т.е. этот диод не обладает вентильными (выпрямительными) свойствами;

Обращенный диод – диод, подобный туннельному, но у него участок с отрицательным сопротивлением на прямой ветви ВАХ отсутствует или выражен очень слабо. При этом, обратная ветвь ВАХ характеризуется очень малым падением напряжения (десятки милливольт). Данные свойства позволяют использовать обращенный диод в маломощных прецизионных выпрямителях, причем обратная ветвь ВАХ используется в качестве прямой, а прямая - в качестве обратной (отсюда и название диода).

Кроме перечисленных, существует еще целый ряд типов полупроводниковых диодов.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) — это зависимость тока I, протекающего через диод, от напряжения U, приложенного к диоду. Вольтамперной характеристикой называют и график этой зависимости.

В первом приближении можно считать, что ВАХ диода определяется идеализированным описанием характеристики р-n перехода:

где: I_S – тепловой ток (ток насыщения – saturation current (англ.)), обусловленный генерацией неосновных носителей в областях, прилегающих к области p-n-перехода;

φ_T = kT/q – потенциал Ферми (температурный потенциал) – здесь:

k – постоянная Больцмана (k = 1,38·10^-23 Дж/К = 8,62·10^-5 эВ/К);

T – абсолютная температура, К;

q – элементарный заряд (q = 1,6·10^-19 Кл.

Для кремния, при температуре +27^оС (300 ^оК) – φ_T.≈ 0,026 В.

Однако часто это идеализированное описание дает неприемлемую погрешность. Особенно большая погрешность возникает при вычислении тока диода, включенного в обратном направлении (U<0, / I<0). Вычисленный по рассматриваемому выражению ток (I = -I_s, при |U| >> φ_T) для кремниевых диодов оказывается на несколько порядков меньше реального. Cледует отметить, что в некоторых практических расчетах обратным током вообще можно пренебречь.

Прямая ветвь ВАХ реального диода (U > 0, I > 0) отличается от идеализированной из-за того, что на нее влияют:

- сопротивления слоев полупроводника;

- сопротивления контактов металл-полупроводник.

Влияние указанных сопротивлении приводит к тому, что напряжение на реальном диоде при заданном токе несколько больше (обычно на доли вольта), чем это следует из формулы.

Обратная ветвь ВАХ реального диода (U < 0, I < 0). Основные причины того, что реально обратный ток обычно на несколько порядков больше тока Is, следующие:

- термогенерация носителей непосредственно в области p-n-перехода;

- поверхностные утечки.

Термогенерация в области p-n-перехода оказывает существенное влияние на ток потому, что область перехода обеднена подвижными носителями заряда, и процесс рекомбинации (обратный процессу генерации и в определенном смысле уравновешивающий его) здесь замедлен.

При комнатной температуре для кремниевых приборов ток термогенерации обычно существенно превышает тепловой ток I_s.

Для ориентировочных расчетов можно считать, что с повышением температуры ток I_s удваивается примерно на каждые 5°С, а ток термогенерации удваивается примерно на каждые 10°С. При температуре около 100°С ток I_s сравнивается с током термогенерации.

Поверхностные утечки часто составляют подавляющую долю обратного тока. Их причинами являются:

- поверхностные энергетические уровни, обеспечивающие активные процессы генерации и рекомбинации;

- молекулярные и ионные пленки, шунтирующие p-n-переход.

При увеличении модуля обратного напряжения ток утечки вначале изменяется линейно, а затем более быстро. Ток утечки характеризуется так называемой «ползучестью» — изменением в течение времени от нескольких секунд до нескольких часов.

При практических ориентировочных расчетах иногда принимают, что общий обратный ток кремниевого диода увеличивается в 2 раза или в 2,5 раза на каждые 10°С.

Типовая ВАХ полупроводникового диода приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 Типовая ВАХ выпрямительного диода

Наиболее часто используемые параметры, применяемые к диодам различных подклассов:

U_от – напряжение отпирания диода (типовое значение для кремниевых (Si) диодов 0,6-0,8 В, для германиевых – 0,3-0,4 В);

I_{пр.макс} – максимально допустимый постоянный прямой ток;

U_пр – постоянное прямое напряжение, соответствующее заданному току (чаще всего – I_{пр.макс});

U_{обр.макс} – максимально допустимое обратное напряжение диода (положительная величина);

I_{обр.макс} – максимально допустимый постоянный обратный ток диода (положительная величина; если реальный ток больше, чем I_{обр.макс}, то диод считается непригодным к использованию);

r_диф – дифференциальное сопротивление диода (при заданном режиме работы), r_ст = dU/dI.

В настоящее время существуют диоды, предназначенные для работы в очень широком диапазоне токов и напряжений. Для наиболее мощных диодов I_{пр.макс} составляет килоамперы, а U_{обр.макс} – киловольт

123