D йод- най-простото устройство в славното семейство на полупроводникови устройства. Ако вземем полупроводникова плоча, например германий, и въведем акцепторен примес в лявата му половина и донорен примес в дясната, тогава от една страна получаваме полупроводник от тип P, съответно, от друга, тип Н. В средата на кристала, получаваме т.нар P-N преходкакто е показано на фигура 1.
Същата фигура показва условното графично обозначение на диода в диаграмите: изходът на катода (отрицателния електрод) е много подобен на знака "-". По-лесно е да запомните така.
Общо в такъв кристал има две зони с различна проводимост, от които излизат два извода, следователно полученото устройство се нарича диодтъй като префиксът "ди" означава две.
В този случай диодът се оказа полупроводников, но подобни устройства са били известни и преди: например в епохата електронни тръбиимаше тръбен диод, наречен кенотрон. Сега такива диоди са влезли в историята, въпреки че привържениците на „тръбния“ звук смятат, че дори токоизправителят на анодното напрежение в ламповия усилвател трябва да бъде лампов!
Фигура 1. Структурата на диода и обозначението на диода в диаграмата
На кръстовището на полупроводници с P и N проводимост се оказва P-N кръстовище (P-N кръстовище), който е в основата на всички полупроводникови устройства. Но за разлика от диода, който има само едно кръстовище, те имат две P-N кръстовища и, например, те се състоят от четири кръстовища наведнъж.
P-N кръстовище в покой
Дори ако P-N преходът, в този случай диодът, не е свързан никъде, вътре в него все още се случват интересни физически процеси, които са показани на фигура 2.
Фигура 2. Диод в покой
В областта N има излишък от електрони, той носи отрицателен заряд, а в областта P зарядът е положителен. Заедно тези заряди се образуват електрическо поле. Тъй като за разлика от зарядите има тенденция да се привличат, електроните от N зоната проникват в положително заредената P зона, запълвайки някои дупки. В резултат на такова движение вътре в полупроводника възниква ток, макар и много малък (единици наноампери).
В резултат на такова движение плътността на материята откъм P нараства, но до определена граница. Частиците обикновено се стремят да се разпространяват равномерно в целия обем на веществото, точно както миризмата на парфюм се разпространява в стаята (дифузия), така че рано или късно електроните се връщат обратно в N зоната.
Ако за повечето консуматори на електроенергия посоката на тока не играе роля - крушката свети, плочката се нагрява, то за диода посоката на тока играе огромна роля. Основната функция на диода е да провежда ток в една посока. Именно това свойство се осигурява от P-N кръстовището.
Включване на диода в обратна посока
Ако свържете източник на захранване към полупроводников диод, както е показано на фигура 3, токът няма да премине през P-N прехода.
Фигура 3. Диод обърнат
Както можете да видите на фигурата, положителният полюс на захранването е свързан към зоната N, а отрицателният полюс е свързан към зоната P. В резултат на това електроните от областта N се втурват към положителния полюс на източника. На свой ред положителните заряди (дупки) в областта P се привличат от отрицателния полюс на източника на енергия. Следователно, в P-N областипреход, както се вижда на фигурата, се образува празнина, просто няма какво да провежда ток, няма носители на заряд.
С увеличаването на захранващото напрежение електроните и дупките се привличат все повече и повече. електрическо полебатерии, в областта на P-N прехода има все по-малко носители на заряд. Следователно при обратното свързване през диода не протича ток. В такива случаи е прието да се казва така полупроводников диод е заключен от обратно напрежение.
Увеличаването на плътността на материята в близост до полюсите на батерията води до дифузия, - желанието за равномерно разпределение на веществото в целия обем. Какво се случва при изключване на батерията.
Полупроводников диод с обратен ток
Тук е моментът да си припомним условно забравените второстепенни носители. Факт е, че дори в затворено състояние през диода преминава малък ток, наречен обратен. Това обратен токи се създава от непървични носители, които могат да се движат точно по същия начин като първичните, само че в обратна посока. Естествено, такова движение се случва с обратно напрежение. Обратният ток обикновено е малък, поради малкия брой миноритарни носители.
С повишаване на температурата на кристала броят на незначителните носители се увеличава, което води до увеличаване на обратния ток, което може да доведе до P-N унищожаванепреход. Поради това работните температури за полупроводникови устройства - диоди, транзистори, микросхеми са ограничени. За да се предотврати прегряване, мощни диоди и транзистори са инсталирани на радиатори - радиатори.
Включване на диода в посока напред
Показано на фигура 4.
Фигура 4. Диодна директна връзка
Сега нека променим полярността на източника: свържете минуса към N областта (катод) и плюса към P областта (анод). С това включване в N областта, електроните ще бъдат отблъснати от минуса на батерията и ще се преместят в P-N странапреход. В областта P положително заредените дупки ще бъдат отблъснати от положителния извод на батерията. Електрони и дупки се втурват един към друг.
Заредени частици с различна полярност се събират близо до P-N прехода, между тях възниква електрическо поле. Следователно електроните преодоляват P-N прехода и продължават да се движат през зоната P. В същото време някои от тях се рекомбинират с дупки, но повечето от тях се втурват към плюса на батерията, токът Id премина през диода.
Този ток се нарича постоянен ток. Ограничава се от техническите данни на диода, някаква максимална стойност. Ако тази стойност бъде превишена, тогава има опасност от повреда на диода. Все пак трябва да се отбележи, че посоката на постоянния ток на фигурата съвпада с общоприетото обратно движение на електроните.
Може да се каже и че в пряката посока на включване електрическо съпротивлениедиодът е сравнително малък. При повторно включване това съпротивление ще бъде многократно по-голямо, през полупроводниковия диод не протича ток (тук не се взема предвид лек обратен ток). От гореизложеното можем да заключим, че диодът се държи като конвенционален механичен вентил: обърнат в една посока - водата тече, обърнат в другата - потокът е спрял. За това свойство диодът е кръстен полупроводников вентил.
За да разберете подробно всички способности и свойства на полупроводников диод, трябва да се запознаете с неговите волт - амперна характеристика. Също така е добра идея да научите за различните конструкции на диоди и честотни свойства, както и за плюсовете и минусите. Това ще бъде обсъдено в следващата статия.
Има и друг начин за намаляване на напрежението върху товара, но само за DC вериги. Вижте тук.
Вместо допълнителен резистор се използва верига от диоди, свързани последователно в посока напред.
Цялата работа е, че когато токът тече през диода, върху него пада „напрежение напред“, равно, в зависимост от вида на диода, мощността и тока, протичащ през него, от 0,5 до 1,2 волта.
На германиевия диод напрежението пада с 0,5 - 0,7 V, на силициевия диод от 0,6 до 1,2 V. Въз основа на колко волта трябва да намалите напрежението при натоварване, включете съответния брой диоди.
За да намалите напрежението с 6 V, трябва приблизително да включите: 6 V: 1,0 \u003d 6 броя силициеви диоди, 6 V: 0,6 \u003d 10 броя германиеви диоди. Силициевите диоди са най-популярните и достъпни.
Горната схема с диоди е по-тромава в изпълнението, отколкото с обикновен резистор. Но изходното напрежение в схема с диоди е по-стабилно и слабо зависимо от товара. Каква е разликата между тези два метода за намаляване на изходното напрежение?
На фиг. 1 - допълнително съпротивление - резистор (съпротивление на проводника), фиг. 2 - допълнително съпротивление - диод.
Резисторът (съпротивлението на проводника) има линейна зависимост между тока, преминаващ през него, и спада на напрежението върху него. С колко пъти се увеличи токът, толкова ще се увеличи и спадът на напрежението през резистора.
От пример 1: ако свържем друга паралелно на електрическата крушка, токът във веригата ще се увеличи, като се вземе предвид общото съпротивление на двете крушки до 0,66 A. Падът на напрежението върху допълнителния резистор ще бъде : 12 Ohm * 0,66 A = 7,92 V Крушките ще останат: 12 V - 7,92 V = 4,08 V. Те ще изгорят до блясъка.
Напълно различна картина ще бъде, ако вместо резистор има верига от диоди.
Връзката между тока, протичащ през диода, и спада на напрежението върху него е нелинейна. Токът може да се увеличи няколко пъти, спадът на напрежението върху диода ще се увеличи само с няколко десети от волта.
Тези. колкото по-голям е токът на диода, толкова по-малко (в сравнение с резистора) се увеличава съпротивлението му. Спадът на напрежението върху диодите е слабо зависим от тока във веригата.
Диодите в такава верига действат като стабилизатор на напрежението. Диодите трябва да бъдат избрани според максималния ток във веригата. Максимум допустим токдиоди трябва да бъде по-голям от тока в изчислената верига.
Паданията на напрежението на някои диоди при ток от 0,5 A са дадени в таблицата. 
Във вериги променлив ток, като допълнително съпротивление можете да използвате кондензатор, индуктивност, динистор или тиристор (с добавяне на управляваща верига).
Полупроводников диод - елемент електрическа верига, който има два извода и има едностранна електропроводимост. Всички полупроводникови диоди могат да бъдат разделени на две групи: токоизправител и специални. Токоизправителните диоди, както подсказва името, са предназначени да коригират променлив ток. В зависимост от честотата и формата AC напрежениеделят се на високочестотни, нискочестотни и импулсни. Специалните видове полупроводникови диоди използват различни свойства пнпреходи: феномен на пробив, бариерен капацитет, наличие на участъци с отрицателно съпротивление и др.
Структурно токоизправителните диоди се разделят на планарни и точкови, а според технологията на производство - на сплавни, дифузионни и епитаксиални. Планарни диоди поради голяма площ пн-преходите се използват за коригиране на големи токове. Точковите диоди имат малка площ на кръстовището и съответно са предназначени да коригират малки токове. За увеличаване на напрежението на лавинно пробив се използват полюси на токоизправител, състоящи се от серия от последователно свързани диоди.
Изправителните диоди с висока мощност се наричат мощни диоди. Материалът за такива диоди обикновено е силициев или галиев арсенид. Германият практически не се използва поради силната температурна зависимост на обратния ток. Диодите от силиконова сплав се използват за изправяне на променлив ток до 5 kHz. Силициевите дифузионни диоди могат да работят при повишени честоти до 100 kHz. Силициевите епитаксиални диоди с метална подложка (с бариера на Шотки) могат да се използват при честоти до 500 kHz. Диодите с галиев арсенид могат да работят в честотен диапазон до няколко MHz.
Работата на диодите се основава на използването на електрон-дупков преход - тънък слой материал между две области различен типелектропроводимост - ни стр. Основното свойство на този преход е асиметричната електрическа проводимост, при която кристалът пропуска ток в едната посока и не преминава в другата. Устройството на прехода електрон-дупка е показано на фиг. 1.1, а. Една част от него е легирана с донорен примес и има електронна проводимост ( н-регион); другият, легиран с акцепторен примес, има проводимост на дупки ( стр-регион). Концентрациите на носители в регионите рязко се различават. Освен това и двете части съдържат малка концентрация на миноритарни носители.
Фиг.1.1. пнпреход:
a - устройство, b - пространствени заряди
Електрони в н- областите са склонни да проникват в стр- област, където концентрацията на електрони е много по-ниска. По същия начин, дупки в стр-области се преместват в н-регион. В резултат на насрещното движение на противоположни заряди възниква така нареченият дифузионен ток. Електроните и дупките, преминавайки през интерфейса, оставят противоположни заряди, които предотвратяват по-нататъшното преминаване на дифузионния ток. В резултат на това се установява динамично равновесие на границата и при затваряне стр- и н- зони без ток във веригата. Разпределението на плътността на пространствения заряд в прехода е показано на фиг. 1.1, b. В този случай вътре в кристала на интерфейса има собствено електрическо поле E oct. , чиято посока е показана на фиг. 1.1, а. Интензитетът му е максимален на границата, където има рязка промяна на знака на пространствения заряд. И тогава полупроводникът е неутрален.
Потенциална височина на бариерата при пнпреходът се определя от контактната потенциална разлика н- и стр-площи, което от своя страна зависи от концентрацията на примеси в тях:
, (1.1)
къде е топлинният потенциал, N nи Стрса концентрациите на електрони и дупки в н- и стр- области, n iе концентрацията на носители на заряд в нелегирания полупроводник.
Контактната потенциална разлика за германий е 0,6 ... 0,7 V, а за силиций - 0,9 ... 1,2 V. Височината на потенциалната бариера може да се промени чрез прилагане на външно напрежение пнпреход. Ако полето на външното напрежение съвпада с вътрешното, тогава височината на потенциалната бариера се увеличава; когато приложеното напрежение е обърнато, височината на бариерата намалява. Ако приложеното напрежение е равно на контактната потенциална разлика, тогава потенциалната бариера изчезва напълно.
Следователно, ако външно напрежение понижава потенциалната бариера, то се нарича директно, а ако го повишава, се нарича обратно.
Символът и характеристиката ток-напрежение (CVC) на идеален диод са показани на фиг. 1.2.
Изходът, към който трябва да се приложи положителен потенциал, се нарича анод, изходът с отрицателен потенциал се нарича катод (фиг. 1.2, а). Идеалният диод в проводяща посока има нулево съпротивление. В непроводима посока - безкрайно голямо съпротивление (фиг. 1.2, b).
Фигура 1.2 Символ (а) и CVC
характеристика на идеален диод (b)
в полупроводниците Р-тип, дупките са основните носители. Електрическата проводимост на дупките се създава чрез въвеждане на атоми на акцепторен примес. Тяхната валентност е една по-малка от тази на полупроводниковите атоми. В този случай примесните атоми улавят полупроводникови електрони и създават дупки - мобилни носители на заряд.
в полупроводниците н-тип основните носители са електроните. Електронната електропроводимост се създава чрез въвеждане на донорни примесни атоми. Тяхната валентност е една по-голяма от тази на полупроводниковите атоми. Формиране ковалентни връзкипри полупроводниковите атоми, примесните атоми не използват 1 електрон, който става свободен. Самите атоми се превръщат в неподвижни положителни йони.
Ако източник на напрежение е свързан към външните клеми на диода в посока напред, тогава този източник на напрежение ще създаде в окръгпреходно електрическо поле, насочено към вътрешното. Полученото поле ще намалее. Това ще започне процеса на дифузия. В диодната верига ще тече постоянен ток. Колкото по-голяма е стойността на външното напрежение, толкова по-малка е стойността на вътрешното поле, толкова по-тесен е блокиращият слой, толкова по-голяма е стойността на постоянния ток. С увеличаване на външното напрежение постоянният ток нараства експоненциално (фиг. 1.3). Когато се достигне определена стойност на външното напрежение, ширината на бариерния слой ще намалее до нула. Правият ток ще бъде ограничен само от обемното съпротивление и ще нараства линейно с увеличаване на напрежението.
Фиг.1.3. IV характеристика на реален диод
В този случай спадът на напрежението върху диода е спад на напрежението в посока напред. Стойността му е малка и зависи от материала:
германий Ge: U pr= (0,3 - 0,4) V;
силиций Si: U pr\u003d (0,6 - 1) V.
Ако промените полярността на външното напрежение, тогава електрическото поле на този източник ще съвпадне с вътрешното. Полученото поле ще се увеличи, ширината на бариерния слой ще се увеличи и токът в идеалния случай няма да тече в обратна посока; но тъй като полупроводниците не са идеални и в допълнение към основните мобилни носители има малък брой второстепенни, в резултат на това възниква обратен ток. Стойността му зависи от концентрацията на незначителни носители и обикновено е от няколко до десетки микроампера.
Концентрацията на второстепенните носители е по-малка от концентрацията на основните, така че обратният ток е малък. Големината на този ток не зависи от величината на обратното напрежение. Силициевият обратен ток е с няколко порядъка по-малък от този на германия, но силициевите диоди имат по-висок спад на напрежението в посока напред. Концентрацията на незначителните носители зависи от температурата и с увеличаването й обратният ток се увеличава, така че се нарича топлинен ток I o:
I o (T) \u003d I o (T o)e a D T,
DT=T-T o ; и Ge =0.09k-1; и Si \u003d 0.13k -1; I oGe >>I oSi . .
Има приблизителна формула
I o (T)=I o (T o)2 T * ,
където T *- повишаване на температурата, което съответства на удвояване на топлинния ток,
T*Ge=8...10 o C; Т*Си=6°C.
Аналитичен израз за VAC р-ппреходът изглежда така:
,
(1.2)
където Uе приложеното външно напрежение.
За температура от 20°C φ t = 0,025V.
С повишаване на температурата, дължащо се на увеличаване на топлинния ток и намаляване на потенциалната бариера, намаляване на съпротивлението на полупроводниковите слоеве, изместване на директния клон на I–V характеристиката възниква в областта на високи токове . Обемното съпротивление на полупроводниците намалява ни Р. В резултат на това падането на напрежението напред ще бъде по-малко. С повишаването на температурата потенциалната бариера на бариерния слой намалява поради намаляване на разликата между концентрациите на основните и второстепенните носители, което също ще доведе до намаляване на U pr, тъй като бариерният слой ще изчезне при по-ниско напрежение.
Същият ток ще съответства на различни предни напрежения (фиг. 1.4), образувайки разликата DU,
където д- температурен коефициент на напрежение.
Ако токът през диода е постоянен, тогава спадът на напрежението върху диода ще намалее. С повишаване на температурата с един градус падането на напрежението в посока напред намалява с 2 mV.
Ориз. 1.4. VAC р-ппреход на фиг. 1.5. CVC на германий и
различни температури на силициевите диоди
С повишаване на температурата обратният клон на характеристиката ток-напрежение се измества надолу (фиг. 1.4). Работният температурен диапазон за германиеви диоди е 80 ° C, за силициеви диоди 150 ° C.
IV характеристиките на германиеви и силициеви диоди са показани на фиг. 1.5.
Диференциално съпротивление р-ппреход (фиг. 1.6):
(1.3)
С увеличаване на тока r d- намалява.
Фигура 1.6 Дефиниция на диференциал
диодно съпротивление
Съпротива постоянен ток р-ппреход: .
DC съпротивлението се характеризира с наклона на правата линия, начертана от началото до дадена точка. Това съпротивление също зависи от големината на тока: с увеличаване на I съпротивлението намалява . R Ge< R Si .
IV характеристиката на полупроводников диод е малко по-различна от IV характеристиката на идеалния диод. Така че, поради изтичане на ток през кристалната повърхност, реалният обратен ток ще бъде по-голям от топлинния ток. Съответно, обратното съпротивление на реалния диод е по-малко от това на идеалния. р-ппреход.
Падането на напрежението напред е по-голямо от идеалното р-ппреход. Това се дължи на спада на напрежението в полупроводниковите слоеве. Ри ПТип. Освен това, в реални диоди един от слоевете Рили Пима по-висока концентрация на основни носители от другия. Слой с висока концентрация на основни носители се нарича емитер; той има незначително съпротивление. Слой с по-ниска концентрация на мажоритарни носители се нарича база. Има доста голяма устойчивост.
Увеличаването на падането на напрежението напред се дължи на падането на напрежението в съпротивлението на основата.
За изчисление електронни схемисъдържащи полупроводникови диоди, става необходимо те да бъдат представени под формата на еквивалентни схеми. Еквивалентната схема на полупроводников диод с частично линейно приближение на неговия CVC е показана на фиг. 1.7. Фигура 1.8 показва еквивалентни схеми, използващи I–V характеристики на идеален диод и I–V характеристики на идеален пнпреход ( r dе съпротивлението на диода, rе съпротивлението на утечка на диода).
Фиг.1.7. Апроксимация на вольтамперната характеристика на диод
линейни сегменти
Фиг.1.8. Подмяна на диоди с използване на I-V характеристики
идеален диод (a) и идеален CVC пнпреход (б)
Работата на диод във верига с товар.Помислете за най-простата схема с диод и резистор и действието на биполярно напрежение на неговия вход (фиг. 1.9). Картината на разпределението на напреженията върху елементите на веригата се определя от положението на товарните линии (фиг. 1.10) - върху графиката на CVC на диода по оста на напрежението се нанасят две точки в двете посоки, определени от +U mи – Хмзахранващо напрежение, което съответства на напрежението на диода с късо съединение R n, и токовете се отлагат по текущата ос в двете посоки U m / R nи - U m / R n, което съответства на диод с късо съединение. Тези две точки са свързани по двойки с прави линии, които се наричат товар. Пресечни точки на товарни линии R nв първи и трети квадрант с разклонения
I–V характеристиките на диода за всяка фаза на захранващото напрежение съответстват на
Ориз. 1.9. Схема с диод и Фиг. 1.10. CVC диод с товар
директно натоварване
техните еднакви токове (което е необходимо при последователно свързване) и определят положението на работните точки.
положителна полувълна U>0, U=U m.
Тази полярност е директна за диод. Токът и напрежението винаги ще отговарят на характеристиките ток-напрежение:
,
Освен това:
U d \u003d U m - I d R H;
при I d \u003d 0, U d \u003d U m;
при U d \u003d 0, I d \u003d U m / R H;
с директна връзка U m >> U pr(фиг. 1.10).
При практическо приложение U pr>0 (U pr- напрежение в посока напред), когато диодът е отворен. Когато диодът работи в права посока, напрежението върху него е минимално - ( Ge-0,4V; Si-0,7 V) и може да се счита за приблизително равен на нула. Тогава токът ще бъде максимален.
Фиг.1.11. Сигнали за напрежение и ток в диодна верига с товар
.
отрицателна полувълна U<0, U= -U m .
Характеристиката на диода е същата, но
U d \u003d -U m -I d R H,;
I d \u003d 0, U d \u003d U m;
Ud=0, Id=Um/RH; U H<
Капацитети р-ппреход.Когато е включен р-ппреход в обратна посока, както и при малки предни напрежения в обл р-ппреход има двоен електрически слой: в Робласти - отрицателни, в Побласти - положителни.
Натрупването на некомпенсиран заряд в този слой води до появата на капацитет р-ппреход, който се нарича бариерен капацитет. Той характеризира промяната в натрупания заряд с промяна на външното напрежение съгласно фиг. 1.12. C b \u003d dQ / dU .
Ориз. 1.12. Зависимост от бариерен капацитет
от обратно напрежение.
Капацитетът на бариерата зависи от геометричните размери р-ппреход. С нарастването U обрширина р-ппреходът се увеличава, а капацитетът намалява.
Когато диодът е включен в права посока, бариерният капацитет практически изчезва и малцинствените носители, прехвърлени от емитера, се натрупват в основния слой на диода. Това натрупване на заряд също създава капацитивен ефект, който се нарича дифузионен капацитет. C dобикновено надвишава C b.
Определя се дифузионният капацитет C d \u003d dQ d / dU.
Тези капацитети влияят на работата на диодите при високи честоти. Капацитети р-ппреходът е включен в еквивалентната схема (фиг. 1.13).
Ориз. 1.13. Диодни еквивалентни вериги, като се вземат предвид капацитети:
a – бариерен капацитет; б - дифузионен капацитет
Преходни процеси в диоди.Когато диодите работят с високочестотни сигнали (1-10 MHz), процесът на преход от непроводимо състояние към проводящо състояние и обратно не възниква мигновено поради наличието на капацитет в прехода, поради натрупването на зарядите в основата на диода.
Фигура 1.14 показва времедиаграмите на промените на тока през диода и товара с правоъгълни импулси на захранващото напрежение. Капацитетите в диодната верига изкривяват предния и задния фронт на импулсите, което води до появата на времето за поглъщане tp.
При избора на диод за определена верига трябва да се вземат предвид неговите честотни свойства и скорост.
Ориз. 1.14. Преходни процеси при
превключващ диод:
t f1- продължителността на предния ръб на прехода;
t f2- продължителността на задния ръб;
tp- време на разтваряне.
Разбивка р-ппреход.Обратното напрежение на диода не може да се увеличи до произволно голяма стойност. При известно обратно напрежение, характерно за всеки тип диод, има рязко увеличение на обратния ток. Този ефект се нарича разрушаване на прехода. Има няколко вида разбивка (фиг. 1.15):
1 - лавинен срив, когато възниква увеличение на обратния ток поради лавинно умножаване на неосновни носители;
Ориз. 1.15. CVC за различни видове повреда
2-тунелно разрушаване, когато преодоляването на потенциалната бариера и блокиращия слой възниква поради тунелния ефект.
При лавинни и тунелни аварии обратният ток нараства при постоянно обратно напрежение.
Това са електрически повреди. Те са обратими. След отстраняване U обрдиодът възстановява свойствата си.
3- термичен разпад, възниква, когато количеството топлина, освободено в р-пкръстовище, повече топлина се отделя от повърхността на диода към околната среда. Въпреки това, с повишаване на температурата р-ппреход, концентрацията на незначителни носители се увеличава, което води до още по-голямо увеличение на обратния ток, което от своя страна води до повишаване на температурата и т.н. Тъй като за диоди, направени на базата на германий, аз обрповече, отколкото за диоди на основата на силиций, тогава за първите вероятността от термично разрушаване е по-висока, отколкото за последните. Следователно максималната работна температура за силициевите диоди е по-висока (150 o ... 200 o C), отколкото за германиевите (75 o ... 90 o C).
С тази разбивка р-ппреходът е разрушен.
Тестови въпроси.
1. Какво е полупроводников диод? Характеристика ток-напрежение на идеален и реален диод?
2. Какви материали се използват за производството на полупроводникови диоди? Как да създадем области с един или друг тип проводимост в полупроводникова подложка?
3. Какво е собственото електрическо поле в кристал на границата п-н-преход? Как се променя, когато се приложи външно напрежение?
4. Какво обяснява ефекта на еднопосочната проводимост п-н-кръстовище в полупроводник?
5.Вамперни характеристики пн-преходи за германиеви и силициеви диоди при промяна на външната температура?
6. Как се определя диференциалното съпротивление на диод?
7. Как се изграждат характеристиките на тока и напрежението на диод с товарна права линия?
8. Обяснете механизма на образуване на бариерния и дифузионния капацитет на диода? Как влияят върху работата на диода в AC вериги?
Лекция 2 Специални видове
Полупроводниците са вещества, които заемат междинно положение между проводниците и изолаторите по своите електропроводими свойства.
В полупроводниците, както и в металите, токът е подредено движение на заредени частици.
Въпреки това, наред с движението на отрицателните заряди (електрони) в полупроводниците има подредено движение на положителните заряди, т.нар. - дупки.
дупкиполучени с участието йониполупроводникови вещества - атоми с убегащи електрони. В действителност йонизираните атоми не напускат мястото си в кристалната решетка. Всъщност има постепенна промяна в състоянието на атомите на материята, когато електроните скачат от един атом в друг. Има процес, който външно изглежда като подредено движение на някои условни положително заредени частици - дупки.
В обикновен, чист полупроводник съотношението дупкии свободни електроди 50%:50%.
Но си струва да добавите малко количество вещество - примеси към полупроводника, тъй като това съотношение претърпява значителни промени. В зависимост от характеристиките на добавеното вещество, полупроводникът придобива или изразена електронна проводимост (n-тип), или дупките (p-тип) стават негови основни носители.
Полупроводников преход (p-n)се образува на кръстовището на два фрагмента от полупроводников материал с различна проводимост. Това е изключително тънък регион, изчерпан и от двата вида носители. P-n преходът има малко съпротивление, когато посоката на тока е напред, и много голямо съпротивление, когато посоката на тока е обратна.
Конвенционалният полупроводников диод се състои от единичен полупроводников преход, снабден с два терминала - анод(положителен електрод) и катод- отрицателен електрод. Съответно, диодът има свойството едностранно провеждане- добре провежда ток в права посока и зле в обратна посока.
Какво означава това на практика?
Представете си електрическа верига, състояща се от батерия и крушка с нажежаема жичка, свързани последователно чрез полупроводников диод. Лампата ще свети само ако анод(положителен електрод) се свързва към плюса на източника на захранване (акумулатор) и катод(отрицателен електрод) към минуса - през нишката на електрическата крушка.
Това е директното включване на полупроводников диод. Ако обърнете поляритета на захранването, диодът ще светне обратно - лампата няма да свети. Обърнете внимание как изглежда обозначението на полупроводников диод на диаграмата - триъгълна стрелка, показваща пряка връзка, съвпада с посоката на тока, общоприета в електротехниката - от плюса на източника на захранване към минуса. Вертикалното тире до него символизира пречка за движението на тока в обратна посока.
Има една предпоставка за нормалната работа на всеки полупроводников диод. Захранващото напрежение трябва да надвишава определен праг (стойността на вътрешния потенциал на отклонение p-n преход). За токоизправителните диоди обикновено е по-малко от 1 волт, за германиевите високочестотни диоди е около 0,1 волта, за светодиодите може да надвишава 3 волта. Това свойство на полупроводниковите диоди може да се използва за създаване на стабилизирани захранвания с ниско напрежение.
Ако свържете диода обратно и постепенно увеличите напрежението на източника на захранване, в даден момент определено ще настъпи обратна електрическа повреда на p-n прехода. Диодът ще започне да пропуска ток в обратна посока и кръстовището ще се повреди. Стойността на максимално допустимото обратно напрежение (Ureverse) варира в широки граници за различните видове полупроводникови диоди и е много важен параметър.
Вторият, не по-малко важен параметър може да се нарече ограничаваща стойност на предния ток-Upr. Този параметър директно зависи от големината на спада на напрежението на кръстовището на полупроводниковия диод, материала на полупроводника и характеристиките на топлопредаване на корпуса.
Използването на всякакви материали на тази страница е разрешено, ако има връзка към сайта
Силно зависи от концентрацията на примеси. Полупроводниците, чиито електрофизични свойства зависят от примесите на други химични елементи, се наричат примесни полупроводници. Има два вида примеси, донорни и акцепторни.
Донорсе нарича примес, чиито атоми дават на полупроводника свободни електрони, а получената в този случай електрическа проводимост, свързана с движението на свободни електрони, е електронен. Полупроводник с електронна проводимост се нарича електронен полупроводник и условно се обозначава с латинската буква n - първата буква от думата "отрицателен".
Нека разгледаме процеса на образуване на електронна проводимост в полупроводник. Ние приемаме силиций като основен полупроводников материал (силициевите полупроводници са най-често срещаните). Силицият (Si) има четири електрона във външната орбита на атома, които определят неговите електрофизични свойства (т.е. те се движат под въздействието на напрежение, за да създадат електрически ток). Когато примесните атоми на арсен (As) се въвеждат в силиций, който има пет електрона във външната орбита, четири електрона взаимодействат с четири електрона на силиций, образувайки ковалентна връзка, а петият електрон на арсена остава свободен. При тези условия той лесно се отделя от атома и получава възможност да се движи в веществото.
акцепторПримес се нарича примес, чиито атоми приемат електрони от атомите на основния полупроводник. Получената електропроводимост, свързана с движението на положителни заряди - дупки, се нарича дупка. Полупроводник с дупкова електрическа проводимост се нарича дупков полупроводник и условно се обозначава с латинската буква p - първата буква от думата "положителен".
Нека разгледаме процеса на образуване на дупкова проводимост. когато индий (In) примесни атоми се въвеждат в силиций, който има три електрона във външната орбита, те се свързват с три електрона на силиций, но тази връзка се оказва непълна: липсва още един електрон, за да се свърже с четвъртия електрон на силиций. Примесният атом прикрепя липсващия електрон от един от близките атоми на основния полупроводник, след което той се свързва с четирите съседни атома. Поради добавянето на електрон, той придобива излишен отрицателен заряд, тоест се превръща в отрицателен йон. В същото време атомът на полупроводника, от който четвъртият електрон е тръгнал за атома на примеса, се оказва свързан със съседните атоми само с три електрона. по този начин има излишък от положителен заряд и се появява незапълнена връзка, т.е дупка.
Едно от важните свойства на полупроводника е, че при наличие на дупки през него може да премине ток, дори ако в него няма свободни електрони. Това се дължи на способността на дупките да се движат от един полупроводников атом към друг.
Преместване на "дупки" в полупроводник
Чрез въвеждане на донорен примес в част от полупроводника и акцепторен примес в друга част е възможно да се получат области с електронна и дупкова проводимост в него. На границата между областите на електронна и дупкова проводимост се образува така нареченият преход електрон-дупка.
P-N кръстовище
Помислете за процесите, които се случват при преминаване на ток преход електрон-дупка. Левият слой, означен с n, е електропроводим. Токът в него е свързан с движението на свободни електрони, които условно се обозначават с кръгове със знак минус. Десният слой, означен с буквата p, има дупкова проводимост. Токът в този слой е свързан с движението на дупки, които са обозначени с кръгове с „плюс“ на фигурата.
Движение на електрони и дупки в режим на пряка проводимост
Движение на електрони и дупки в режим на обратна проводимост.
Когато полупроводници с различен тип проводимост влязат в контакт, електроните се дължат на дифузияще започне да се движи към p-областта, а дупките - към n-областта, в резултат на което граничният слой на n-областта се зарежда положително, а граничният слой на p-областта се зарежда отрицателно. Между регионите възниква електрическо поле, което е като че ли бариера за основните токови носители, поради което в p-n прехода се образува област с намалена концентрация на заряд. Електрическото поле в p-n прехода се нарича потенциална бариера, а p-n преходът се нарича блокиращ слой. Ако посоката на външното електрическо поле е противоположна на посоката на полето на p-n прехода ("+" в p-областта, "-" в n-областта), тогава потенциалната бариера намалява, концентрацията на заряди в p-n прехода се увеличава, ширината и следователно преходното съпротивление намалява. Когато полярността на източника се промени, външното електрическо поле съвпада с посоката на полето на p-n прехода, ширината и съпротивлението на прехода се увеличават. Следователно p-n преходът има вентилни свойства.
полупроводников диод
диоднаречено електрически преобразуващо полупроводниково устройство с един или повече p-n преходи и два проводника. В зависимост от основното предназначение и явлението, използвано в p-n прехода, има няколко основни функционални вида полупроводникови диоди: токоизправител, високочестотен, импулсен, тунелен, ценерови диоди, варикапи.
Основен характеристики на полупроводникови диодие характеристиката ток-напрежение (VAC). За всеки тип полупроводников диод, I–V характеристиката има различна форма, но всички те се основават на I–V характеристиката на преходен изправителен диод, който има формата:
Характеристика на напрежението на тока (CVC) на диода: 1 - характеристика на напрежението на постоянен ток; 2 - обратна характеристика на тока и напрежението; 3 - зона на разбивка; 4 - праволинейна апроксимация на характеристиката на постоянен ток-напрежение; Upor е праговото напрежение; rdyn е динамично съпротивление; Uprob - пробивно напрежение
Скалата по оста y за отрицателни стойности на токовете е избрана многократно по-голяма, отколкото за положителни.
Характеристиките на токовото напрежение на диодите преминават през нула, но достатъчно забележим ток се появява само когато прагово напрежение(U тогава), което за германиеви диоди е 0,1 - 0,2 V, а за силициеви диоди е 0,5 - 0,6 V. В областта на отрицателните стойности на напрежението на диода, при вече относително ниски напрежения (U обр. ) възниква обратен ток(I arr). Този ток се създава от малцинствени носители: електрони от p-областта и дупки от n-областта, чийто преход от една област в друга се улеснява от потенциална бариера близо до интерфейса. При увеличаване на обратното напрежение не се получава увеличение на тока, тъй като броят на малцинствените носители, които се появяват на границата на прехода за единица време, не зависи от напрежението, приложено отвън, ако не е много голямо. Обратният ток за силициевите диоди е с няколко порядъка по-малък, отколкото за германиевите. По-нататъшно увеличаване на обратното напрежение до пробивно напрежение(U проби) води до факта, че електроните от валентната лента преминават в зоната на проводимост, има ценеров ефект. В този случай обратният ток се увеличава рязко, което причинява нагряване на диода и по-нататъшното увеличаване на тока води до термично разрушаване и разрушаване на p-n прехода.
Обозначаване и дефиниране на основните електрически параметри на диодите
Обозначение на полупроводников диод
Както споменахме по-рано, диодът провежда ток в една посока (т.е. в идеалния случай той е просто проводник с ниско съпротивление), в другата посока не го прави (т.е. превръща се в проводник с много високо съпротивление), с една дума , то има едностранно провеждане. Съответно той има само две заключения. Те, както е обичайно от времето на ламповата технология, се наричат анод(положително заключение) и катод(отрицателен).
Всички полупроводникови диоди могат да бъдат разделени на две групи: токоизправител и специални. Изправителни диоди, както подсказва името, са предназначени за коригиране на променлив ток. В зависимост от честотата и формата на променливото напрежение те се делят на високочестотни, нискочестотни и импулсни. Специаленвидовете полупроводникови диоди използват различни свойства п-н-преходи; явление на пробив, бариерен капацитет, наличие на области с отрицателно съпротивление и др.
Изправителни диоди
Структурно токоизправителните диоди се разделят на планарни и точкови, а според технологията на производство - на сплавни, дифузионни и епитаксиални. Планарните диоди, поради голямата площ на p-n прехода, се използват за коригиране големи токове. Точковите диоди имат малка площ на кръстовището и съответно са предназначени за коригиране малки течения. За да се увеличи напрежението на лавинно пробив, се използват токоизправителни полюси, състоящи се от серия диоди, свързани последователно.
Наричат се изправителни диоди с висока мощност мощност. Материалът за такива диоди обикновено е силициев или галиев арсенид. Диодите от силиконова сплав се използват за изправяне на променлив ток с честота до 5 kHz. Силициевите дифузионни диоди могат да работят при по-високи честоти, до 100 kHz. Силициевите епитаксиални диоди с метална подложка (с бариера на Шотки) могат да се използват при честоти до 500 kHz. Диодите с галиев арсенид могат да работят в честотен диапазон до няколко MHz.
Мощните диоди обикновено се характеризират с набор от статични и динамични параметри. Да се статични параметридиодите включват:
- спад на волтажа U CR на диода при определена стойност на постоянен ток;
- обратен ток I arr при определена стойност на обратното напрежение;
- означава постоянен ток I pr.cf. ;
- импулсивен обратно напрежение U обр. ;
Да се динамични параметридиод са неговите времеви и честотни характеристики. Тези опции включват:
- време за възстановяване t обратно напрежение;
- време на нарастванепостоянен ток I изх. ;
- гранична честотабез намаляване на режимите на диода f max .
Статичните параметри могат да се задават според ток-напрежението на диода.
Времето за обратно възстановяване на диодните tvos е основният параметър на токоизправителните диоди, който характеризира техните инерционни свойства. Определя се чрез превключване на диода от даден прав ток I CR към дадено обратно напрежение U обр. По време на превключване напрежението върху диода придобива противоположна стойност. Поради инерцията на дифузионния процес токът в диода не спира моментално, а с течение на времето t нар. По същество има резорбция на заряди на границата на p-n прехода (т.е. разряд с еквивалентен капацитет). От това следва, че загубите на мощност в диода се увеличават рязко, когато е включен, особено когато е изключен. Следователно, загуби в диоданарастват с увеличаване на честотата на изправеното напрежение.
Когато температурата на диода се промени, неговите параметри се променят. Правото напрежение на диода и неговият обратен ток зависят най-силно от температурата. Приблизително можем да приемем, че TKN (температурен коефициент на напрежение) Upr \u003d -2 mV / K, а обратният ток на диода има положителен коефициент. Така че с повишаване на температурата за всеки 10 ° C, обратният ток на германиевите диоди се увеличава 2 пъти, а на силициевите - 2,5 пъти.
Диоди с бариера на Шотки
За коригиране на малки напрежения с висока честота се използват широко бариерни диоди на Шотки. В тези диоди вместо p-n преход се използва контакт с метална повърхност. В точката на контакт се появяват обеднени на носители на заряд полупроводникови слоеве, които се наричат затварящи слоеве. Диодите с бариера на Шотки се различават от диодите с p-n преход по следните начини:
- Повече ▼ ниска праваспад на волтажа;
- има повече нисък реверсволтаж;
- Повече ▼ висок токтечове;
- почти няма таксаобратно възстановяване.
Две основни характеристики правят тези диоди незаменими: нисък спад на напрежението напред и бързо време за възстановяване на напрежението обратно. В допълнение, липсата на незначителни носители, изискващи време за възстановяване, означава физическо никакви загубиза превключване на самия диод.
Максималното напрежение на съвременните диоди на Шотки е около 1200 V. При това напрежение предното напрежение на диода на Шотки е по-малко от предното напрежение на диоди с p-n преход с 0,2 ... 0,3 V.
Предимствата на диода на Шотки стават особено забележими при изправяне на ниски напрежения. Например, 45-волтов диод на Шотки има предно напрежение от 0,4 ... 0,6 V, а при същия ток диодът с p-n-преход има спад на напрежението от 0,5 ... 1,0 V. Когато обратното напрежение падне до 15 V, предното напрежение намалява до 0,3 ... 0,4 V. Средно използването на диоди на Шотки в токоизправителя позволява да се намалят загубите с около 10 ... 15%. Максималната работна честота на диодите на Шотки надвишава 200 kHz.
Теорията е добра, но теория без практика е просто разтърсване на въздуха.
