Главная
Чехов
Диффузионный диод что. Полупроводниковый диод

Диффузионный диод что. Полупроводниковый диод

по проектированию и конструированию полупроводниковых приборов

1. Тема: Расчет выпрямительного диффузионного диода.

2. Срок представления курсового проекта к защите:

3. Исходные данные для проектирования:

3.1 Повторяющееся импульсное обратное напряжение: U RRM = 2000 B.

3.2 Максимально допустимый прямой ток: I FAV = 350 A.

3.3 Обратный допустимый ток: I RRM ≤ 3 мА.

3.4 Прямое падение напряжения: U FM ≤ 1,5 В.

4.1 Расчет удельного сопротивления исходного кристалла.

4.2 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента.

4.3 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода.

4.4 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов.

5. Перечень графического материала.

5.1Вольт амперная характеристика диода единичной площади.

5.2 Графики зависимости выделяемой и отводимой мощности от диаметра выпрямительного элемента.

5.3 Структура выпрямительного элемента.


РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 32 страницы печатного текста, 2 рисунка, 3 таблицы, 3 приложения, при написании использовалось 3 источника литературы.

выпрямительный элемент, экспоненциальная модель, диффузионный профиль, удельное сопротивление, напряжение пробоя, область пространственного заряда, прямой ток, диод.

Объектом разработки является выпрямительный диффузионный диод.

Цель работы - проектирование выпрямительного диффузионного диода.

Методы разработки - аналитический расчет.

Полученные результаты: по заданным электрическим параметрам определены технологические параметры изготовления выпрямительного элемента, разработана структура диода.

Основные конструкционные и эксплуатационные характеристики: Повторяющееся импульсное обратное напряжение U RRM = 2000 B, максимально допустимый прямой ток I FAV = 350 A, обратный допустимый ток I RRM ≤ 70 мА, прямое падение напряжения U FM ≤ 1,5 В. Удельное сопротивление исходного кристалла r = 70 Ом×см, толщина структуры W = 270 мкм, глубина залегания p - n-перехода x j = 55 мкм, параметры диффузии Dt = 2,17 ×10 -6 см -2 , диаметр выпрямительного элемента d В = 24 мм. Максимальная температура корпуса T C = 140°C.

Область применения:разработанный диод может применяться в любой силовой аппаратуре, где необходимо его использование и соблюдаются условия эксплуатации.


Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Выбор материала диода и типа проводимости исходного кристалла

1.2 Определение удельного сопротивления исходного кристалла

1.3 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента

1.4 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода

1.5 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов

2. Расчетная часть

2.1 Расчет удельного сопротивления исходного кристалла

2.2 Расчет геометрических размеров слоев выпрямительного элемента

2.3 Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода

2.4 Проверка соответствия расчетных и заданных значений основных параметров диода и корректировка расчетов

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Приложение В


ВВЕДЕНИЕ

Целью данного курсового проекта является определение основных электрических, технологических и эксплуатационных параметров выпрямительного диффузионного диода на основании заданной структуры (характера распределения примеси) и электрических характеристик.

Проектирование полупроводниковых приборов является сложной задачей, требующей фундаментальных знаний в области физики полупроводников и полупроводниковых приборов, полупроводниковой технологии и т. д. Физические процессы в полупроводниковых приборах в большинстве случаев описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, не имеющих аналитических решений. Точный расчет в них возможен лишь численными методами. На этапе обучения более целесообразно приобретение навыков проектирование на основе аналитических формул и выражений для закрепления навыков расчета полупроводниковых приборов.

Не смотря на то, что при расчете применялись аналитические формулы, которые применимы только в некотором приближении, все же благодаря приобретенным навыкам, для каждого конкретного случая были подобраны те соотношения, которые дают наименьшую погрешность расчета. Вследствие чего был разработан диод, который легко изготовить в стандартном технологическом цикле, причем все электрические и эксплуатационные характеристики будут соответствовать заданным.

Экономический расчет проекта не проводился.

Новизны в работе нет, так как проектирование проводилось по материалам научной литературы.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Выбор материала диода и типа проводимости исходного кристалла

В настоящее время выпрямительные диоды почти целиком изготавливаются на основе германия и кремния. Такие материалы, как арсенид галлия и карбид кремния, пока еще не получили широкого распространения из-за сложной технологии получения и обработки.

Кремниевые выпрямительные диоды обладают рядом преимуществ по сравнению с германиевыми. Благодаря тому, что у кремния больше ширина запрещенной зоны, кремниевые диоды имеют более высокие рабочие температуры (до 190 °С против 85 °С для германиевых диодов). Вследствие этого они могут работать при более высоких плотностях токов в прямом направлении.

Из-за более широкой запрещенной зоны в кремнии концентрация собственных носителей заряда n i на два порядка меньше, чем в германии, в результате кремниевые диоды имеют обратные токи в тысячи раз меньше германиевых. Кремниевые диоды выдерживают большие обратные напряжения, определяемые лавинным пробоем р - n-перехода. В то время как в германиевых диодах (вследствие относительно больших обратных токов) раньше может развиться тепловой пробой. Этому способствует и меньшее значение коэффициента теплопроводности германия.

Недостатком кремниевых диодов является сравнительно большое падение напряжения в прямом направлении. Из-за различия в ширине запрещенной зоны в кремниевых р - n-переходах высота потенциального барьера (при одинаковых уровнях легирования базовых областей) в 1,5 - 2,0 раза превышает высоту потенциального барьера германиевых р - n-переходов. Примерно во столько же раз и падение напряжения на р - n-переходе в кремниевых диодах будет больше.

Исходный кристалл для выпрямительных диодов может иметь проводимость как n-, так и p-типа. Но поскольку в германии и кремнии подвижность электронов заметно превышает подвижность дырок, то предпочтительнее использовать исходные материалы электронного типа проводимости, так как в этом случае падение напряжения будет меньше.

На выбор типа проводимости исходного кристалла может влиять состояние поверхности полупроводника. В кремниевых р - n-переходах в оксиде кремния или на границе кремний - диоксид кремния почти всегда присутствует значительный положительный заряд, который может существенно уменьшить напряжение поверхностного пробоя в p + -n-переходах (если диффузия проводилась в исходный кристалл n-типа проводимости) или привести к образованию инверсионного канала и резкому увеличению обратного тока в n + - p-переходах (если диффузия проводилась в исходный кристалл p-типа проводимости). Если в первом случае можно применять достаточно разработанные способы устранения поверхностного пробоя, то последнее обстоятельство сильно затрудняет создание высоковольтных p - n-переходов с малыми обратными токами. Поэтому для создания высоковольтных диодов лучше выбирать исходный кремний электронного типа проводимости.

1.2 Определение удельного сопротивления исходного кристалла

Удельное, сопротивление исходного кристалла влияет на ряд параметров выпрямительного диода: прямое падение напряжения, обратный ток, емкость и т. д. Но в наибольшей степени от него зависит напряжение лавинного пробоя p - n-перехода U B , поэтому выбор удельного сопротивления исходного кристалла производится то напряжению лавинного пробоя.

Напряжение лавинного пробоя определяется по заданному значению повторяющегося импульсного обратного напряжения U rrm :


, (1.2.1)

где k - коэффициент запаса.

Значение коэффициента запаса выбирается равным 0,75 - 0,80 .

Напряжение лавинного пробоя диффузионного р - n-перехода зависит не только от удельного сопротивления исходного кристалла, но и от характера распределения диффундирующей примеси.

Примесные профили диффузионных (особенно высоковольтных) р - n-переходов, в пределах области объемного заряда наиболее точно аппроксимируются экспонентой . Тогда результирующая примесная концентрация, например, для случая диффузии акцепторной примеси в исходный материал n-типа, имеет вид:

, (1.2.2)

где x j - глубина залегания р - n-перехода от поверхности;

N 0 , λ - параметры аппроксимации.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод - элемент электрической цепи, имеющий два вывода и обладающий односторонней электропроводностью . Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n -перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенид-галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Работа диодов основана на использовании электронно-дырочного перехода – тонкого слоя материала между двумя областями разного типа электропроводности - n и p . Основное свойство этого перехода – несимметричная электропроводность, при которой кристалл пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис.1.1,а. Одна часть его легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (n -область); другая, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (p -область). Концентрации носителей в областях резко отличаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Рис.1.1. p-n переход:

а – устройство, б – объёмные заряды

Электроны в n -области стремятся проникнуть в p -область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из p -области перемещаются в n -область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие, и при замыкании p - и n -областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объёмного заряда в переходе приведено на рис.1.1,б. При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Е соб. , направление которого показано на рис.1.1,а. Напряжённость его максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объёмного заряда. А далее полупроводник – нейтрален.

Высота потенциального барьера на p-n переходе определяется контактной разностью потенциалов n - и p -областей, которая, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в них:

, (1.1)

где - тепловой потенциал, N n и P p – концентрации электронов и дырок в n - и p -областях, n i – концентрация носителей зарядов в нелигированном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6…0,7В, а для кремния – 0,9…1,2В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к p-n переходу. Если поле внешнего напряжения совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается; при обратной полярности приложенного напряжения высота барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Отсюда, если внешнее напряжение снижает потенциальный барьер, оно называется прямым, а если повышает его – обратным.

Условное обозначение и вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального диода представлены на рис.1.2.

Тот вывод, на который нужно подать положительный потенциал, называется анодом, вывод с отрицательным потенциалом называется катодом (рис.1.2,а). Идеальный диод в проводящем направлении имеет нулевое сопротивление. В непроводящем направлении - бесконечно большое сопротивление (рис.1.2,б).

Рис.1.2.Условное обозначение (а) и ВАХ

характеристика идеального диода (б)

В полупроводниках р -типа основны­ми носителями являются дырки. Дыроч­ная электропроводность создана путем внесения атомов акцепторной примеси. Их валентность на единицу меньше, чем у атомов полупроводника. При этом атомы примеси захватывают электроны полупроводника и создают дырки - подвижные носители заряда.

В полупроводниках n -типа основными носителями являются электроны. Электронная электропроводность создается путем внесения атомов донорной примеси. Их валентность на единицу больше, чем у атомов полупроводника. Образуя ковалентные связи с атомами полупроводника, атомы примеси не используют 1 электрон, который становится свободным. Сами атомы становятся неподвижными положительными ионами.

Если к внешним выводам диода подключить источник напряжения в прямом направлении, то этот источник напряжения создаст в р-n переходе электрическое поле, направленное навстречу внутреннему. Результирующее поле будет уменьшаться. При этом пойдет процесс диффузии. В цепи диода потечет прямой ток. Чем больше величина внешнего напряжения, тем меньше величина внутреннего поля, тем уже запирающий слой, тем больше величина прямого тока. С ростом внешнего напряжения прямой ток возрастает по экспоненциальному закону (рис.1.3). При достижении некоторой величины внешнего напряжения ширина запирающего слоя снизится до нуля. Прямой ток будет ограничен только объемным сопротивлением и будет возрастать линейно при увеличении напряжения.

Рис.1.3. ВАХ реального диода

При этом падение напряжения на диоде - прямое падение напряжения. Его величина невелика и зависит от материала:

германий Ge : U пр = (0,3 - 0,4) В;

кремний Si : U пр =(0,6 - 1) В.

Если поменять полярность внешнего напряжения, то электрическое поле этого источника будет совпадать с внутренним. Результирующее поле увеличится, ширина запирающего слоя увеличится, и ток в идеальном случае в обратном направлении протекать не будет; но так как полупроводники не идеальные и в них кроме основных подвижных носителей есть незначительное количество неосновных, то, как следствие, возникает обратный ток. Его величина зависит от концентрации неосновных носителей и обычно составляет единицы -десятки микроампер.

Концентрация неосновных носителей меньше концентрации основных, поэтому обратный ток мал. Величина этого тока не зависит от величины обратного напряжения. У кремния обратный ток на несколько порядков меньше, чем у германия, но у кремниевых диодов выше прямое падение напряжения. Концентрация неосновных носителей зависит от температуры и при ее увеличении растет обратный ток, поэтому его называют тепловой ток I o:

I o (T)=I o (T o)e a D Т ,

DT=T-T o ; а Ge =0.09к -1 ; а Si =0.13к -1 ; I oGe >>I oSi . .

Есть приблизительная формула

I o (T)=I o (T o)2 T * ,

где Т * - приращение температуры, которому соответствует удвоение теплового тока,

Т * Ge =8...10 o C; T * Si =6 o C.

Аналитическое выражение для ВАХ р-п перехода имеет вид:

, (1.2)

где U - приложенное внешнее напряжение.

Для температуры 20 о С φ т =0.025В.

С увеличением температуры за счет роста теплового тока и снижения потенциального барьера, уменьшения сопротивления полупроводниковых слоев происходит смещение прямой ветви ВАХ в области больших токов. Уменьшается объемное сопротивление полупроводников n и р . В результате прямое падение напряжения будет меньше. С ростом температуры за счет уменьшения разницы между концентрацией основных и неосновных носителей уменьшается потенциальный барьер запирающего слоя, что приведет также к уменьшению U пр , т. к. запирающий слой исчезнет при меньшем напряжении.

Одному и тому же току будут соответствовать разные прямые напряжения (рис.1.4), образуя разность DU,

где e -температурный коэффициент напряжения.

Если ток через диод постоянен, то уменьшится падение напряжения на диоде. При увеличении температуры на один градус прямое падение напряжения уменьшается на 2 мВ.

Рис. 1.4. ВАХ р-п перехода при Рис. 1.5. ВАХ германиевого и

различных температурах кремниевого диодов

С ростом температуры обратная ветвь вольтамперной характеристики смещается вниз (рис.1.4). Рабочий диапазон температуры для германиевых диодов 80 о С, для кремниевых диодов 150 о С.

ВАХ германиевых и кремниевых диодов приведены на рис.1.5.

Дифференциальное сопротивление р-п перехода (рис.1.6):

(1.3)

С ростом величины тока r д - уменьшается.

Рис.1.6.Определение дифференциального

сопротивления диода

Сопротивление постоянному току р-п перехода: .

Сопротивление постоянному току характеризуется коэффициентом угла наклона прямой, проведенной из начала координат в данную точку. Сопротивление это также зависит от величины тока: с ростом I сопротивление падает. R Ge < R Si .

ВАХ полупроводникового диода несколько отличается от ВАХ идеального диода. Так за счет утечки тока по поверхности кристалла реальный обратный ток будет больше теплового тока. Соответственно обратное сопротивление у реального диода меньше, чем у идеального р-п перехода.

Прямое падение напряжения больше, чем у идеального р-п перехода. Это происходит за счет падения напряжения на слоях полупроводника р и п типа. Причем, у реальных диодов один из слоев р или п имеет большую концентрацию основных носителей, чем другой. Слой с большой концентрацией основных носителей называют эмиттером, он имеет незначительное сопротивление. Слой с меньшей концентрацией основных носителей называют базой. Он имеет довольно существенное сопротивление.

Увеличение прямого падения напряжения происходит за счет падения напряжения на сопротивлении базы.

Для расчета электронных схем, содержащих полупроводниковые диоды, возникает необходимость представления их в виде схем замещения. Схема замещения полупроводникового диода при кусочно-линейной аппроксимации его ВАХ изображена на рис.1.7. На рис.1.8 представлены схемы замещения с использованием ВАХ идеального диода и ВАХ идеального p-n перехода (r д – сопротивление диода, r у –сопротивление утечки диода).

Рис.1.7. Аппроксимация ВАХ диода

линейными отрезками

Рис.1.8. Замещение диодов использованием ВАХ

идеального диода (а) и ВАХ идеального p-n перехода (б)

Работа диода в цепи с нагрузкой. Рассмотрим простейшую цепь с диодом и резистором, и действие на входе ее разнополярного напряжения (рис.1.9). Картина распределения напряжений на элементах схемы определяется положением линий нагрузки (рис.1.10) - на графике ВАХ диода по оси напряжения в обе стороны откладываются две точки, определяемые +U m и –U m питающего напряжения, что соответствует напряжению на диоде при закороченной нагрузке R н , а на оси тока в обе стороны откладываются токи U m /R н и - U m /R н , что соответствует закороченному диоду. Эти две точки попарно соединяются прямыми линиями, которые называются нагрузочными. Пересечения линий нагрузки R н в первом и третьем квадрантах с ветвями

ВАХ диода для каждой фазы питающего напряжения соответствуют


Рис. 1.9. Цепь с диодом и Рис. 1.10. ВАХ диода с нагрузочной

нагрузкой прямой

их одинаковым токам (что необходимо при последовательном их соединении) и определяют положение рабочих точек.

Положительная полуволна U>0, U=U m .

Данная полярность является прямой для диода. Ток и напряжение всегда будут удовлетворять ВАХ:

,

кроме того:

U д =U m - I д R H ;

при I д =0, U д =U m ;

при U д =0, I д =U m /R H ;

при прямом включении U m >>U пр (рис. 1.10).

При практическом применении U пр >0 (U пр - прямое напряжение), когда диод открыт. При работе диода в прямом направлении напряжение на нем минимальное - (Ge -0,4 B; Si -0,7 B), и его можно считать приблизительно равным нулю. Ток при этом будет максимальным.


Рис.1.11. Сигналы напряжений и тока в цепи диода с нагрузкой

.

Отрицательная полуволна U<0, U= -U m .

Характеристика диода та же, но

U д = -U m -I д R H ,;

I д =0, U д =U m ;

U д =0, I д =U m /R H ; U H <

Емкости р-п перехода. При включении р-п перехода в обратном направлении, а также при небольших прямых напряжениях в области р-п перехода существует двойной электрический слой: в р области - отрицательный, в п области - положительный.

Накопление в этом слое некомпенсированного заряда приводит к возникновению емкости р-п перехода, которая называется барьерной емкостью. Она характеризует изменение накопленного заряда при изменении внешнего напряжения по рис.1.12. С б =dQ/ dU .

Рис. 1.12. Зависимость барьерной емкости

от обратного напряжения.

Барьерная емкость зависит от геометри­ческих размеров р-п перехода. С увеличением U обр ширина р-п перехода возрастает, а емкость уменьшается.

При включении диода в прямом направлении барьерная ёмкость практически исчезает, а в базовом слое диода происходит накопление перешедших из эмиттера неосновных носителей. Это накопление заряда создает также эффект емкости, которую называют диффузионной. С д обычно превышает С б .

Диффузионная емкость определяется С д =dQ д /dU .

Эти емкости сказываются при работе диодов на высоких частотах. Емкости р-п перехода включают в схему замещения (рис.1.13).

Рис. 1.13. Схемы замещения диода с учетом емкостей:

а – барьерная ёмкость; б – диффузионная ёмкость

Переходные процессы в диодах. При работе диодов с сигналами высоких частот (1-10 МГц) процесс перехода из непроводящего состояния в проводящее и наоборот происходит не мгновенно за счет наличия емкости в переходе, за счет накопления зарядов в базе диода.

На рис.1.14 приведены временные диаграммы изменения токов через диод и нагрузку при прямоугольных импульсах питающего напряжения. Ёмкости в цепи диода искажают передний и задний фронты импульсов, вызывают появление времени рас­сасывания t p .

При выборе диода для конкретной схе­мы надо учитывать его частотные свойства и быстродействие.

Рис. 1.14. Переходные процессы при

переключении диода:

t ф1 - длительность переднего фронта перехода;

t ф2 - длительность заднего фронта;

t p - время рассасывания.

Пробой р-п перехода. Обратное напря­жение диода не может возрастать до сколь угодной величины. При некотором обрат­ном напряжении, характерном для каждого типа диода, происходит резкое возрастание обратного тока. Этот эффект называют пробоем перехода. Различают несколько видов пробоя (рис.1.15):

1- лавинный пробой, когда увеличение обратного тока происходит за счет лавинного размножения не ос­нов­­­ных носителей;

Рис. 1.15. ВАХ при различных видах пробоя

2- туннельный пробой, когда прео-доление потенциального барьера и запирающего слоя происходит за счет туннельного эффекта.

При лавинном и туннельном пробоях растет обратный ток при неизменном обратном напряжении.

Это электрические пробои. Они являются обратимыми. После снятия U обр диод восстанавливает свои свойства.

3- тепловой пробой, он происходит в том случае, когда количество тепла, выделившегося в р-п переходе, больше количества тепла, отдаваемого поверхностью диода в окружающую среду. При этом с увеличением температуры р-п перехода растет концентрация неосновных носителей, что приводит к еще большему росту обратного тока, который, в свою очередь, ведет к увеличению температуры и т.д. Так как для диодов, изготовленных на основе германия, I обр больше, чем для диодов на основе кремния, то для первых вероятность теплового пробоя выше, чем для вторых. Поэтому максимальная рабочая температура для кремниевых диодов выше (150 о …200 о С), чем для германиевых (75 о …90 о С).

При этом пробое р-п переход разрушается.

Контрольные вопросы.

1. Что такое полупроводниковый диод? Вольтамперная характеристика идеального и реального диода?

2. Какие материалы используются для изготовления полупроводниковых диодов? Как создавать в полупроводниковой подложке области того или иного типа проводимости?

3. Что такое собственное электрическое поле в кристалле на границе p-n- перехода? Как оно видоизменяется при подаче внешнего напряжения?

4. Чем объясняется эффект односторонней проводимости p-n- перехода в полупроводнике?

5. Вольтамперные характеристики p-n -переходов для германиевых и кремниевых диодов при изменении внешней температуры?

6. Как определяется дифференциальное сопротивление диода?

7. Как строятся вольтамперные характеристики диода с нагрузочной прямой?

8. Объясните механизм формирования барьерной и диффузионной ёмкостей диода? Как они сказываются при работе диода в цепях переменного тока?

Лекция 2.Специальные типы

Контакт двух полупроводников n- и p- типов называют p-n-переходом или n-p –переходом. В результате контакта между полупроводниками начинается диффузия. Некоторая часть электронов переходит к дыркам, а некоторая часть дырок переходит на сторону электронов.

В результате чего полупроводники заряжаются: n- положительно, а p – отрицательно. После того, как электрическое поле, которое будет возникать в зоне перехода, начнет препятствовать перемещению электронов и дырок, диффузия прекратится.

При подключении pn-перехода в прямом направлении он будет пропускать через себя ток. Если же подключить pn-переход в обратном направлении, то он не будет практически пропускать ток.

На следующем графике показаны вольт-амперные характеристики прямого и обратного подключения pn-перехода.

Изготовление полупроводникового диода

Сплошной линией нарисована вольт-амперная характеристика прямого подключения pn-перехода, а пунктирной – обратного подключения.
Из графика видно, что pn-переход по отношению к току несимметричен, так как в прямом направлении сопротивление перехода намного меньше, чем в обратном.

Свойства pn-перехода широко используются для выпрямления электрического тока. Для этого на основе pn-перехода изготавливают полупроводниковый диод.

Обычно для изготовления полупроводниковых диодов используют германий, кремний, селен и ряд других веществ. Рассмотрим подробнее процесс создания pn-перехода, используя германий с полупроводимостью n-типа.

Такой переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников с разными типами проводимости. Это невозможно,потому что при этом между полупроводниками получается слишком большой зазор.

А нам необходимо, чтобы толщина pn-перехода должна быть не больше межатомных расстояний. Во избежание этого, в одну из поверхностей образца вплавляют индий.

Для создания полупроводникового диода полупроводник с примесью p-типа, в котором содержатся атомы индия, нагревают до высокой температуры. Пары примесей n-типа осаждаются на поверхности кристалла. Далее вследствие диффузии они внедряются в сам кристалл.

На поверхности кристалла, у которого проводимость p-типа, образуется область с проводимостью n-типа. На следующем рисунке схематично показано как это выглядит.

Для того, чтобы исключить воздействие воздуха и света на кристалл, его помещают в герметичный металлический корпус. На принципиальных электрических схемах, диод обозначают с помощью следующего специального значка.

Полупроводниковые выпрямители обладают очень высокой надежностью и долгим сроком службы. Основным их недостатком является то, что они могут работать лишь в небольшом интервале температур: от -70 до 125 градусов.

*Физические основы микроэлектроники; Электроника; Флеров А.Н, 2015.

Лекция 6, тезисы

Полупроводниковые диоды

Типы диодов: диоды бывают:

- электровакуумные (кенотроны),

- газонаполненные (газотроны, игнитроны, стабилитроны),

- полупроводниковы е.

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с двумя вы­водами, содержащий один p-n переход.

Рис. 6.1 Полупроводниковый диод (схема) и условное графическое обозначение (УГО) диода

Наибольшее применение получили кремниевые (Si -99% всего парка диодов) силовые, импульсные и пр., арсенид галлиевые (GaAs) - СВЧ диоды, перспективные - карбид кремниевые (SiC), нитрид галлиевые (GaN), InGaN, AlGaN - СВЧ диоды, светодиоды (InP, PbS), реже применяются германиевые (Ge) полупро­водниковые диоды.

Односторонняя проводимость p-n перехода наглядно иллюстрируется его вольтамперной характеристикой (ВАХ), показывающей зависимость тока через p-n -переход от величины и поляр­ности приложенного напряжения

Рис. 6.2 п/п диоды, конструкции (масштаб не выдержан)

Классификация диодов

По физике работы - туннельный, лавинно-пролетный, с барьером Шоттки, с накоплением заряда, светодиод и проч.

От способа получения p - n переходов полупроводниковые диоды делятся (по виду перехода) на два типа: точечные и плоскостные.

- от технологии изготовления p-n перехода диоды делятся на точечные, микросплавные, сплавные, диффузионные, эпитаксиальные.

Точечныйдиод э то диод с очень малой площадью электрического перехода.

Вточечном диоде с пластинкой кремния или германия (например,n-типа) соприкасается заостренная металлическая проволочка, образующая выпрямляющий переход в месте контакта (рис. 6.1).

Для создания стабильного выпрямляющего контакта при изготовлении точечного диода с пластинкой соприкасается заостренная металлическая игла имеющую на конце примесь индия или алюминия .

В результате термодиффузии (подача сильных импульсов тока) в кристалле п/п образуется слой р- типа.

Рис. 6.1 Вариант конструкции

точечного диода

Микросплавной диод занимают промежуточное положение между плоскостными и точечными. Микро­сплавные диоды, имеющие также малую площадь перехода.

При изготовлении микросплавного диода p-n переход формируется, например, путем микровплавления в кристалл (например Ge) тонкой золотой проволочки с присадкой

галлия на конце.

Диоды с микро­сплавными переходами выгодно отличаются от точечных лучшей ста­бильностью параметров, но емкость перехода у них больше и предель­ные частоты ниже, чем у точечных диодов.

Сплавной диод

При изготовлении сплавных диодов происходит вплавление приме­си в кремний или в другой п/п.

Электронно-дырочные переходы сплавных диодов-резкие .

Рис. 6.2 Сплавной диод, строение и конструкция

Сплавной диод малой мощности - диод со средним значением выпрямленного тока не более 0,3 а. В середину пластинки кремния (Si) проводимостью n-типа (рис. 6.2.1) вплавлен цилиндрический столбик из алюминия (Аl). Атомы алюминия диффундирует (проникает) в пластинку, вследствие чего проводимость части объема пластинки вблизи столбика становится дырочной (р-типа). Между нею и остальным объемом пластинки образуется р-n переход с хорошей проводимостью от алюминия к кремнию.

Конструкции сплавного диода – на рис. 6.2.3.

Аналогичную конструкцию имеет германиевый выпрямительный сплавной диод малой мощности, только в германиевую пластинку вплавлен индий.

Сплавной диод средней мощности - диод со средним значением выпрямленного тока от 0,3 до 10 а. Между пластинками кремния n-типа и p-типа прокладывают алюминиевую фольгу и нагревают. Алюминий сплавляется с кремнием и внутри получившейся монолитной пластинки образуется р-n переход (рис. 6.2.2).

Такая конструкция показана на (рис.6.2.4)

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 Si0 2 , формирование "окна" в оксидном слое двуокиси кремния Si0 2 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

r pn =  T /I (6.1)

 T температурный потенциал;

r б – единицы- десятки [Ом];

С д – 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:

U o 6 pGe = 100- 400В, кремниевых диодов: U o 6 psi = 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 R H протекает только в положительные полупе­риоды входного напряжения U ex , и кривая напряжения на нагрузке будет состоять из положительных полуволн синусоиды (если емкость С отключена)

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 .

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 In р. max

2. Прямое падение напряжения Unp - значение прямого напряжения на диоде при заданном

значении прямого тока;

3. Максимально допустимое обратное напряжение U обр. 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. 6.10Параметрический стабилизатор

Выходное напряжение стабилизатора не может быть абсолютно стабильным. Приращения U cm малы, и зависят от приращений входного напряжения  U вх .

U вх = U cm + I R 0 R 0 , (6.2)

где r q - токоограничивающий резистор.

I R 0 = (U вх - U cm)/ R 0 , (6.3)

При увеличении входного напряжения U вх + U вх

I’ R 0 = (U вх + U вх - U cm)/ R 0 (6.4)

При этом I’ R 0 > I R 0 и I’ cm > I cm ток через стабилитрон увеличивается.

Параметром, определяющим качество стабилизатора является коэффициент стабилизации .

Коэффициент стабилизации определяется следующим образом:

(при этом 1 Н считается постоянным)

(6.5)

Основные параметры стабилитронов

2. Минимальный ток стабилизации 1 ст (~3 мА) - значение тока протекающего через

стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.

3. Максимальный ток стабилизации 1 ст MAX (~20 мА – 1А) - значение тока

протекающего через стабилитрон, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не

превышает допустимого значения.

4. Максимальная мощность рассеяния P pa с c = U cm I cm - наибольшая мощность, выделяемая

на p-n переходе, при которой не возникает теплового пробоя перехода.

5. Дифференциальное сопротивление r cm = U cm / I cm отношение приращения напряжения

на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации. Характеризует степень

стабильности напряжения стабилизации при из­менении тока пробоя.

На участке стабилизации r cm ~ const; r cm = 0,5 - 200 Ом.

6. Температурный коэффициент напряжения (TKU) стабилизации

(6.6)

где t 1 °C - исходная температура.

TKU = 0,1 ...0,01%/°С

Для самостоятельного изучения

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Обозначение диодов

X X X X X X (например, КД243А)

1-ый элемент (буква или цифра) обозначает исходный материал:

Г (1) - германий;

К (2) - кремний;

А (3) - соединения галлия;

И (4) – соединения индия.

Если стоит не буква, а цифра, то это означает, что прибор может работать при повышенных температурах (германиевый прибор при 70 С; кремниевый при 120°С).

2-ой элемент (буква) указывает на тип полупроводникового диода:

Д - выпрямительные, универсальные, импульсные;

А - сверхвысокочастотные;

С - стабилитроны и стабисторы;

И - туннельные и обращенные;

В – варикапы;

Ц - выпрямительные столбы;

Л – излучательные;

Ф – фотоприемники.

3-ий элемент (цифра) - число, определяющее назначение и качественные свой­ства диодов.

1 - Выпрямительные диоды малой мощности (1пр ср < 0,ЗА);

2 - Выпрямительные диоды средней мощности (0,3А< 1пр ср < 10А);

4. Импульсные диоды с временем восстановления меньше 500нс.

У стабилитронов 3 -ий элемент обозначения определяет индекс мощности.

Пример:

Р тах < 0,3Вт: 1 U cma б < 10в

2 10B < U cma 6 < 99B;

3 100В < U стаб < 199В.

0.3 B т < P max < 5Вт: 4 U cma б <10В;

4-ый и 5-ый элементы (цифры) - порядковый номер разработки (от 0 до 99).

У стабилитронов - это обозначение напряжения стабилизации.

Пример : КС1 56 А -5,6В

6-ой элемент (буквенный) определяет разновидность прибора по технологиче­ским признакам, а у стабилитронов и стабисторов - указывает на последователь­ность разработки.

Пример : ГД412А - диод полупроводниковый, германиевый, универсальный, германиевый, номер раз­работки 12, группа А.

**************************************************************

Д9, Д102 – “старинные” названия

Сильно зависит от концентрации примесей. Полупроводники, электрофизические свойства которых зависят от примесей других химических элементов, называются примесными полупроводниками. Примеси бывают двух видов донорной и акцепторной.

Донорной называется примесь, атомы которой дают полупроводнику свободные электроны, а получаемая в этом случае электропроводность, связанная с движением свободных электронов, - электронной . Полупроводник с электронной проводимостью называется электронным полупроводником и условно обозначается латинской буквой n - первой буквой слова «негативный».

Рассмотрим процесс образования электронной проводимости в полупроводнике. За основной материал полупроводника возьмём кремний (кремниевые полупроводники самые распространённые). У кремния (Si) на внешней орбите атома есть четыре электрона, которые обуславливают его электрофизические свойства (т.е. они перемещаясь под действием напряжения создают электрический ток). При введении в кремний атомов примеси мышьяка (As), у которого на внешней орбите пять электронов, четыре электрона вступают во взаимодействие с четырьмя электронами кремния, образуя ковалентную связь, а пятый электрон мышьяка остаётся свободным. При этих условиях он легко отделяется от атома и получает возможность перемещаться в веществе.

Акцепторной называется примесь, атомы которой принимают электроны от атомов основного полупроводника. Получаемая при этом электропроводность, связанная с перемещением положительных зарядов - дырок, называется дырочной. Полупроводник с дырочной электропроводностью называется дырочным полупроводником и условно обозначается латинской буквой p - первой буквой слова «позитивный».

Рассмотрим процесс образования дырочной проводимости. при введении в кремний атомов примеси индия (In), у которого на внешней орбите три электрона, они вступают в связь с тремя электронами кремния, но эта связь оказывается неполной: не хватает ещё одного электрона для связи с четвёртым электроном кремния. Атом примеси присоединяет к себе недостающий электрон от одного из расположенных поблизости атомов основного полупроводника, после чего он оказывается связанным со всеми четырьмя соседними атомами. Благодаря добавлению электрона он приобретает избыточный отрицательный заряд, то есть превращается в отрицательный ион. В тоже время атом полупроводника, от которого к атому примеси ушёл четвёртый электрон оказывается связанным с соседними атомами только тремя электронами. таким образом, возникает избыток положительного заряда и появляется незаполненная связь, то есть дырка .

Одним из важных свойств полупроводника является то, что при наличии дырок через него может проходить ток, даже если в нём нет свободных электронов. Это объясняется способностью дырок переходить с одного атома полупроводника на другой.

Перемещение «дырок» в полупроводнике

Вводя в часть полупроводника донорную примесь, а в другую часть - акцепторную, можно получить в нём области с электронной и дырочной проводимостью. На границе областей электронной и дырочной проводимости образуется так называемый электронно-дырочный переход.

P-N-переход

Рассмотрим процессы происходящий при прохождении тока через электронно-дырочный переход . Левый слой, обозначенный буквой n, имеет электронную проводимость. Ток в нём связан с перемещением свободных электронов, которые условно обозначены кружками со знаком «минус». Правый слой, обозначенный буквой p, обладает дырочной проводимостью. Ток в этом слое связан с перемещением дырок, которые на рисунке обозначены кружками с «плюсом».



Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости



Движение электронов и дырок в режиме обратной проводимости.

При соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости электроны вследствие диффузии начнут переходить в p-область, а дырки - в n-область, в результате чего пограничный слой n-области заряжается положительно, а пограничный слой p-области - отрицательно. Между областями возникает электрическое поле, которое является как бы барьеров для основных носителей тока, благодаря чему в p-n переходе образуется область с пониженной концентрацией зарядов. Электрическое поле в p-n переходе называют потенциальным барьером, а p-n переход - запирающим слоем. Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению поля p-n перехода («+» на p-области, «-» на n-области), то потенциальный барьер уменьшается, возрастает концентрация зарядов в p-n переходе, ширина и, следовательно, сопротивление перехода уменьшается. При изменении полярности источника внешнее электрическое поле совпадает с направлением поля p-n перехода, ширина и сопротивление перехода возрастает. Следовательно, p-n переход обладает вентильными свойствами.

Полупроводниковый диод

Диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения и явления используемого в p-n переходе различают несколько основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для каждого типа полупроводникового диода ВАХ имеет свой вид, но все они основываются на ВАХ плоскостного выпрямительного диода, которая имеет вид:


Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода: 1 — прямая вольт-амперная характеристика; 2 — обратная вольт-амперная характеристика; 3 — область пробоя; 4 — прямолинейная аппроксимация прямой вольт-амперной характеристики; Uпор — пороговое напряжение; rдин — динамическое сопротивление; Uпроб — пробивное напряжение

Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов выбран во много раз более крупным, чем для положительных.

Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется лишь при пороговом напряжении (U пор), которое для германиевых диодов равно 0,1 - 0,2 В, а у кремниевых диодов равно 0,5 - 0,6 В. В области отрицательных значений напряжения на диоде, при уже сравнительно небольших напряжениях (U обр.) возникает обратный ток (І обр). Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. С ростом обратного напряжения увеличение тока не происходит, так как количество неосновных носителей, оказывающихся в единицу времени на границе перехода, не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Обратный ток для кремниевых диодов на несколько порядков меньше, чем для германиевых. Дальнейшее увеличение обратного напряжения до напряжения пробоя (U проб) приводит к тому что электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, возникает эффект Зенера . Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода и дальнейшее увеличение тока приводит к тепловому пробою и разрушению p-n-перехода.

Обозначение и определение основных электрических параметров диодов


Обозначение полупроводникового диода

Как указывалось ранее диод в одну сторону ток проводит (т. е. представляет собой в идеале просто проводник с малым сопротивлением), в другую – нет (т. е. превращается в проводник с очень большим сопротивлением), одним словом, обладает односторонней проводимостью . Соответственно выводов у него всего два. Они как повелось ещё со времён ламповой техники, называются анодом (положительным выводом) и катодом (отрицательным).

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды , как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Выпрямительные диоды

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используют для выпрямления больших токов . Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов . Для увеличения напряжения лавинного пробоя используют выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми . Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Кремниевые сплавные диоды используют для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

  • падение напряжения U пр на диоде при некотором значении прямого тока;
  • обратный ток I обр при некотором значении обратного напряжения;
  • среднее значение прямого тока I пр.ср. ;
  • импульсное обратное напряжение U обр.и. ;

К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

  • время восстановления t вос обратного напряжения;
  • время нарастания прямого тока I нар. ;
  • предельная частота без снижения режимов диода f max .

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.

Время обратного восстановления диода t вос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока I пр на заданное обратное напряжение U обр. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени t нар. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). Из этого следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямляемого напряжения.

При изменении температуры диода изменяются его параметры. Наиболее сильно от температуры зависят прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Приблизительно можно считать, что ТКН (температурный коэффициент напряжения) Uпр = -2 мВ/К, а обратный ток диодаимеет положительный коэффициент. Так при увеличении температуры на каждые 10 °С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раз.

Диоды с барьером Шотки

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки . В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с . В месте контакта возникают обеднённые носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

  • более низкое прямое падение напряжения;
  • имеют более низкое обратное напряжение;
  • более высокий ток утечки;
  • почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 1200 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шотки меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2…0,3 В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4…0,6 В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5…1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15 В прямое напряжение уменьшается до 0,3…0,4 В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10…15 %. Максимальная рабочая частота диодов Шотки превышает 200 кГц.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.

Разделы