yodo- el dispositivo más simple de la gloriosa familia de dispositivos semiconductores. Si tomamos una placa semiconductora, por ejemplo, germanio, e introducimos una impureza aceptora en su mitad izquierda y una impureza donadora en su mitad derecha, entonces, por un lado, obtenemos un semiconductor de tipo P, respectivamente, por el otro tipo N. En el medio del cristal, obtenemos el llamado Transición P-N como se muestra en la Figura 1.

La misma figura muestra la designación gráfica condicional del diodo en los diagramas: la salida del cátodo (electrodo negativo) es muy similar al signo "-". Es más fácil de recordar de esa manera.

En total, en tal cristal hay dos zonas con diferente conductividad, de las cuales salen dos conclusiones, por lo que el dispositivo resultante se llama diodo porque el prefijo "di" significa dos.

En este caso, el diodo resultó ser un semiconductor, pero antes se conocían dispositivos similares: por ejemplo, en la era tubos electronicos había un diodo de tubo llamado kenotrón. Ahora tales diodos han pasado a la historia, aunque los partidarios del sonido de "tubo" creen que incluso el rectificador de voltaje de ánodo en un amplificador de tubo debería ser uno de tubo.

Figura 1. La estructura del diodo y la designación del diodo en el diagrama.

En la unión de semiconductores con conductividades P y N, resulta Unión P-N (unión P-N), que es la base de todos los dispositivos semiconductores. Pero a diferencia de un diodo, que tiene una sola unión, tienen dos uniones P-N y, por ejemplo, constan de cuatro uniones a la vez.

Unión P-N en reposo

Incluso si la unión P-N, en este caso el diodo, no está conectada en ninguna parte, aún ocurren procesos físicos interesantes en su interior, que se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Diodo en reposo

En la región N hay exceso de electrones, lleva carga negativa, y en la región P la carga es positiva. Juntos, estos cargos forman campo eléctrico. Dado que las cargas diferentes tienden a atraerse, los electrones de la zona N penetran en la zona P cargada positivamente, llenando algunos huecos. Como resultado de tal movimiento dentro del semiconductor, todavía surge una corriente, aunque muy pequeña (unidades de nanoamperios).

Como resultado de tal movimiento, la densidad de la materia en el lado P aumenta, pero hasta cierto límite. Las partículas suelen tender a distribuirse uniformemente por todo el volumen de la sustancia, al igual que el olor a perfume se propaga por toda la habitación (difusión), por lo que, tarde o temprano, los electrones vuelven a la zona N.

Si para la mayoría de los consumidores de electricidad, la dirección de la corriente no juega un papel: la bombilla se enciende, el azulejo se calienta, entonces, para el diodo, la dirección de la corriente juega un papel muy importante. La función principal de un diodo es conducir la corriente en una dirección. Es esta propiedad la que proporciona la unión P-N.

Encendiendo el diodo en la dirección opuesta

Si conecta una fuente de alimentación a un diodo semiconductor, como se muestra en la Figura 3, no pasará corriente a través de la unión P-N.

Figura 3. Diodo invertido

Como puede ver en la figura, el polo positivo de la fuente de alimentación está conectado al área N y el polo negativo está conectado al área P. Como resultado, los electrones de la región N corren hacia el polo positivo de la fuente. A su vez, las cargas positivas (agujeros) en la región P son atraídas por el polo negativo de la fuente de energía. Por lo tanto, en áreas PN transición, como se puede ver en la figura, se forma un vacío, simplemente no hay nada para conducir la corriente, no hay portadores de carga.

A medida que aumenta el voltaje de la fuente de alimentación, los electrones y los huecos se atraen cada vez más. campo eléctrico baterías, en la región de la unión P-N, hay cada vez menos portadores de carga. Por lo tanto, en la conexión inversa, no fluye corriente a través del diodo. En tales casos, se acostumbra decir que El diodo semiconductor está bloqueado por voltaje inverso.

Un aumento en la densidad de la materia cerca de los polos de la batería conduce a difusión, - el deseo de una distribución uniforme de la sustancia en todo el volumen. Qué sucede cuando se apaga la batería.

Diodo semiconductor de corriente inversa

Es aquí que ha llegado el momento de recordar a los portadores menores que fueron olvidados condicionalmente. El hecho es que incluso en el estado cerrado, pasa una pequeña corriente a través del diodo, llamada inversa. Este corriente inversa y es creado por portadores no primarios, que pueden moverse exactamente de la misma manera que los primarios, solo que en la dirección opuesta. Naturalmente, tal movimiento ocurre con un voltaje inverso. La corriente inversa suele ser pequeña, debido al pequeño número de portadores minoritarios.

Con un aumento en la temperatura del cristal, aumenta el número de portadores minoritarios, lo que conduce a un aumento en la corriente inversa, lo que puede conducir a Destrucción PN transición. Por lo tanto, las temperaturas de funcionamiento de los dispositivos semiconductores (diodos, transistores, microcircuitos) son limitadas. Para evitar el sobrecalentamiento, se instalan potentes diodos y transistores en los disipadores de calor: radiadores.

Encendido del diodo en la dirección de avance

Se muestra en la figura 4.

Figura 4. Conexión directa de diodo

Ahora cambiemos la polaridad de la fuente: conecte el menos a la región N (cátodo) y el más a la región P (ánodo). Con esta inclusión en la región N, los electrones serán repelidos del negativo de la batería y se moverán a Lado P-N transición. En la región P, los agujeros cargados positivamente serán repelidos desde el terminal positivo de la batería. Los electrones y los huecos corren uno hacia el otro.

Las partículas cargadas con diferente polaridad se juntan cerca de la unión P-N y surge un campo eléctrico entre ellas. Por lo tanto, los electrones superan la unión P-N y continúan moviéndose a través de la zona P. Al mismo tiempo, algunos de ellos se recombinan con agujeros, pero la mayoría se precipita hacia el más de la batería, la corriente Id pasó por el diodo.

Esta corriente se llama corriente continua. Está limitado por los datos técnicos del diodo, algún valor máximo. Si se supera este valor, existe el peligro de que falle el diodo. Sin embargo, cabe señalar que la dirección de la corriente continua en la figura coincide con el movimiento inverso de los electrones generalmente aceptado.

También se puede decir que en la dirección directa de encendido resistencia eléctrica diodo es relativamente pequeño. Cuando se vuelve a encender, esta resistencia será muchas veces mayor, no fluye corriente a través del diodo semiconductor (aquí no se tiene en cuenta una ligera corriente inversa). De lo anterior, podemos concluir que el diodo se comporta como una válvula mecánica convencional: girado en una dirección, el agua fluye, girado en la otra dirección, el flujo se ha detenido. Por esta propiedad, el diodo fue nombrado puerta semiconductora.

Para comprender en detalle todas las habilidades y propiedades de un diodo semiconductor, debe familiarizarse con su voltio - amperio característico. También es una buena idea conocer los diversos diseños de diodos y las propiedades de frecuencia, y los pros y los contras. Esto será discutido en el siguiente artículo.

Hay otra forma de reducir el voltaje en la carga, pero solo para circuitos de CC. Ver aquí.

En lugar de una resistencia adicional, se utiliza una cadena de diodos conectados en serie en la dirección directa.

El punto es que cuando la corriente fluye a través del diodo, un "voltaje directo" cae sobre él, igual, según el tipo de diodo, la potencia y la corriente que fluye a través de él, de 0,5 a 1,2 voltios.

En el diodo de germanio, el voltaje cae de 0,5 a 0,7 V, en el diodo de silicio de 0,6 a 1,2 voltios. Según la cantidad de voltios que necesita para reducir el voltaje en la carga, encienda la cantidad adecuada de diodos.

Para reducir el voltaje en 6 V, debe encender aproximadamente: 6 V: 1.0 \u003d 6 diodos de silicio, 6 V: 0.6 \u003d 10 diodos de germanio. Los diodos de silicio son los más populares y disponibles.

El circuito anterior con diodos es más complicado de ejecutar que con una resistencia simple. Pero, el voltaje de salida, en un circuito con diodos, es más estable y débilmente dependiente de la carga. ¿Cuál es la diferencia entre estos dos métodos para reducir el voltaje de salida?

En la Fig. 1 - resistencia adicional - resistencia (resistencia de cable), Fig. 2 - resistencia adicional - diodo.

Una resistencia (resistencia de alambre) tiene una relación lineal entre la corriente que pasa a través de ella y la caída de voltaje a través de ella. Por cuántas veces aumenta la corriente, la caída de voltaje a través de la resistencia aumentará en la misma cantidad.

Del ejemplo 1: si conectamos otro en paralelo a la bombilla, la corriente en el circuito aumentará, teniendo en cuenta la resistencia total de las dos bombillas hasta 0,66 A. La caída de tensión en la resistencia adicional será : 12 Ohm * 0,66 A = 7,92 V Las bombillas permanecerán: 12 V - 7,92 V = 4,08 V. Se quemarán hasta el suelo del resplandor.

Una imagen completamente diferente será si en lugar de una resistencia hay una cadena de diodos.

La relación entre la corriente que fluye a través de un diodo y la caída de voltaje a través de él no es lineal. La corriente puede aumentar varias veces, la caída de voltaje a través del diodo aumentará solo unas pocas décimas de voltio.

Aquellos. cuanto mayor es la corriente del diodo, menos (en comparación con la resistencia) aumenta su resistencia. La caída de voltaje a través de los diodos depende poco de la corriente en el circuito.

Los diodos en dicho circuito actúan como un estabilizador de voltaje. Los diodos deben seleccionarse de acuerdo con la corriente máxima en el circuito. Máximo corriente admisible diodos debe ser mayor que la corriente en el circuito calculado.

Las caídas de voltaje en algunos diodos a una corriente de 0.5 A se dan en la tabla.

Esposado corriente alterna, como resistencia adicional, puede usar un capacitor, inductancia, dinistor o tiristor (con la adición de un circuito de control).

Diodo semiconductor - elemento circuito eléctrico, que tiene dos terminales y tiene conductividad eléctrica unilateral. Todos los diodos semiconductores se pueden dividir en dos grupos: rectificadores y especiales. Los diodos rectificadores, como su nombre indica, están diseñados para rectificar corriente alterna. Según la frecuencia y la forma. voltaje de corriente alterna se dividen en alta frecuencia, baja frecuencia y pulso. Los tipos especiales de diodos semiconductores utilizan diferentes propiedades. pn transiciones: fenómeno de ruptura, capacidad de barrera, presencia de secciones con resistencia negativa, etc.

Estructuralmente, los diodos rectificadores se dividen en planos y puntuales, y según la tecnología de fabricación, en aleación, difusión y epitaxial. Diodos planares debido a la gran área pn-Las uniones se utilizan para rectificar corrientes altas. Los diodos puntuales tienen un área de unión pequeña y, en consecuencia, están diseñados para rectificar corrientes pequeñas. Para aumentar el voltaje de ruptura de avalancha, se utilizan polos rectificadores, que consisten en una serie de diodos conectados en serie.

Los diodos rectificadores de alta potencia se denominan diodos de potencia. El material para estos diodos suele ser silicio o arseniuro de galio. El germanio prácticamente no se usa debido a la fuerte dependencia de la temperatura de la corriente inversa. Los diodos de aleación de silicio se utilizan para rectificar corriente alterna hasta 5 kHz. Los diodos de difusión de silicio pueden funcionar a frecuencias elevadas de hasta 100 kHz. Los diodos epitaxiales de silicio con sustrato metálico (con barrera Schottky) se pueden utilizar a frecuencias de hasta 500 kHz. Los diodos de arseniuro de galio son capaces de operar en el rango de frecuencia de hasta varios MHz.

El funcionamiento de los diodos se basa en el uso de una unión electrón-hueco: una capa delgada de material entre dos áreas. diferente tipo conductividad eléctrica - norte y pags. La principal propiedad de esta transición es la conductividad eléctrica asimétrica, en la que el cristal pasa corriente en una dirección y no pasa en la otra. El dispositivo de la transición electrón-hueco se muestra en la Fig. 1.1, a. Una parte está dopada con una impureza donante y tiene conductividad electrónica ( norte-región); el otro, dopado con una impureza aceptora, tiene conductividad de hueco ( pags-región). Las concentraciones de portadores en las regiones difieren considerablemente. Además, ambas partes contienen una pequeña concentración de portadores minoritarios.

Figura 1.1. pn transición:

a - dispositivo, b - cargos de espacio

electrones en norte- las áreas tienden a penetrar en pags- región donde la concentración de electrones es mucho menor. Asimismo, los agujeros en pags-Las áreas se mueven a norte-región. Como resultado del movimiento que se aproxima de cargas opuestas, surge la llamada corriente de difusión. Los electrones y los huecos, al pasar a través de la interfaz, dejan cargas opuestas que impiden el paso de la corriente de difusión. Como resultado, el equilibrio dinámico se establece en el límite, y al cerrar pags- y norte- zonas donde no circula corriente en el circuito. La distribución de la densidad de carga espacial en la transición se muestra en la Fig. 1.1, b. En este caso, dentro del cristal en la interfaz hay un campo eléctrico propio E oct. , cuya dirección se muestra en la Fig. 1.1, a. Su intensidad es máxima en la interfase, donde hay un cambio abrupto en el signo de la carga espacial. Y entonces el semiconductor es neutral.

Altura de la barrera potencial en pn la transición está determinada por la diferencia de potencial de contacto norte- y pags-áreas, que, a su vez, depende de la concentración de impurezas en ellas:

, (1.1)

donde esta el potencial termico norte norte y Páginas son las concentraciones de electrones y huecos en norte- y pags-áreas, n yo es la concentración de portadores de carga en el semiconductor no dopado.

La diferencia de potencial de contacto para el germanio es de 0,6 ... 0,7 V, y para el silicio, de 0,9 ... 1,2 V. La altura de la barrera de potencial se puede cambiar aplicando un voltaje externo a pn transición. Si el campo del voltaje externo coincide con el interno, entonces la altura de la barrera potencial aumenta; cuando se invierte el voltaje aplicado, la altura de la barrera disminuye. Si el voltaje aplicado es igual a la diferencia de potencial de contacto, entonces la barrera de potencial desaparece por completo.

Por lo tanto, si un voltaje externo baja la barrera de potencial, se llama directa, y si la aumenta, se llama inversa.

El símbolo y la característica corriente-voltaje (CVC) de un diodo ideal se muestran en la figura 1.2.

La salida a la que se debe aplicar un potencial positivo se llama ánodo, la salida con un potencial negativo se llama cátodo (Fig. 1.2, a). Un diodo ideal en la dirección conductora tiene resistencia cero. En la dirección no conductora: una resistencia infinitamente grande (Fig. 1.2, b).

Fig. 1.2 Símbolo (a) y CVC

característica de un diodo ideal (b)

en semiconductores R-tipo, los agujeros son los principales portadores. La conductividad eléctrica del agujero se creó introduciendo átomos de una impureza aceptora. Su valencia es uno menos que la de los átomos semiconductores. En este caso, los átomos de impurezas capturan electrones semiconductores y crean agujeros: portadores de carga móviles.

en semiconductores norte-tipo los principales portadores son los electrones. La conductividad eléctrica electrónica se crea mediante la introducción de átomos de impurezas donantes. Su valencia es una más que la de los átomos semiconductores. formando enlaces covalentes con átomos semiconductores, los átomos de impurezas no usan 1 electrón, que se vuelve libre. Los átomos mismos se convierten en iones positivos inmóviles.

Si se conecta una fuente de voltaje a los terminales externos del diodo en la dirección directa, entonces esta fuente de voltaje creará en distrito campo eléctrico de transición dirigido hacia el interior. El campo resultante disminuirá. Esto iniciará el proceso de difusión. Una corriente continua fluirá en el circuito del diodo. Cuanto mayor sea el valor de la tensión externa, menor será el valor del campo interno, cuanto más estrecha sea la capa de bloqueo, mayor será el valor de la corriente continua. Con un aumento en el voltaje externo, la corriente continua aumenta exponencialmente (Fig. 1.3). Cuando se alcanza un cierto valor de la tensión externa, el ancho de la capa de barrera se reduce a cero. La corriente directa estará limitada solo por la resistencia de volumen y aumentará linealmente a medida que aumente el voltaje.

Figura 1.3. IV característica de un diodo real

En este caso, la caída de tensión en el diodo es una caída de tensión directa. Su valor es pequeño y depende del material:

germanio ge: arriba pr= (0,3 - 0,4) V;

silicio Si: arriba pr\u003d (0.6 - 1) V.

Si cambia la polaridad del voltaje externo, el campo eléctrico de esta fuente coincidirá con el interno. El campo resultante aumentará, el ancho de la capa de barrera aumentará y la corriente idealmente no fluirá en la dirección opuesta; pero dado que los semiconductores no son ideales y, además de los principales operadores móviles, hay una pequeña cantidad de menores, como resultado, surge una corriente inversa. Su valor depende de la concentración de portadores minoritarios y suele ser de unos pocos a decenas de microamperios.

La concentración de portadores minoritarios es menor que la concentración de los principales, por lo que la corriente inversa es pequeña. La magnitud de esta corriente no depende de la magnitud del voltaje inverso. La corriente inversa de silicio es varios órdenes de magnitud menor que la del germanio, pero los diodos de silicio tienen una mayor caída de tensión directa. La concentración de portadores minoritarios depende de la temperatura, y a medida que aumenta, aumenta la corriente inversa, por lo que se denomina corriente térmica I o:

Yo o (T) \u003d Yo (T o) e a D T,

DT=T-T o ; y Ge =0,09k-1; y Si \u003d 0.13k -1; I oGe >>I oSi . .

Hay una formula aproximada

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

dónde T *- incremento de temperatura, que corresponde a una duplicación de la corriente térmica,

T*Ge=8...10 oC; T*Si=6°C.

Expresión analítica para VAC rp la transición se parece a:

, (1.2)

dónde tu es el voltaje externo aplicado.

Para una temperatura de 20°C φ t = 0,025 V.

Con un aumento de temperatura debido a un aumento en la corriente térmica y una disminución en la barrera potencial, una disminución en la resistencia de las capas semiconductoras, se produce un cambio de la rama directa de la característica I-V en la región de altas corrientes. . La resistencia de volumen de los semiconductores disminuye. norte y R. Como resultado, la caída de tensión directa será menor. A medida que aumenta la temperatura, debido a una disminución en la diferencia entre las concentraciones de los portadores principales y secundarios, la barrera potencial de la capa de barrera disminuye, lo que también conducirá a una disminución en arriba pr, ya que la capa de barrera desaparecerá a un voltaje más bajo.

La misma corriente corresponderá a diferentes voltajes directos (Fig. 1.4), formando la diferencia DU,

dónde mi- coeficiente de temperatura de voltaje.

Si la corriente a través del diodo es constante, entonces la caída de voltaje a través del diodo disminuirá. Con un aumento de la temperatura de un grado, la caída de tensión directa disminuye en 2 mV.

Arroz. 1.4. VACACIONES rp transición en la Fig. 1.5. CVC de germanio y

diferentes temperaturas de diodos de silicio

A medida que aumenta la temperatura, la rama inversa de la característica corriente-voltaje se desplaza hacia abajo (Fig. 1.4). El rango de temperatura de funcionamiento para diodos de germanio es de 80 °C, para diodos de silicio de 150 °C.

Las características IV de los diodos de germanio y silicio se muestran en la Fig. 1.5.

Resistencia diferencial rp transición (Fig. 1.6):

(1.3)

Con corriente creciente rd- disminuye.

Fig. 1.6 Definición de diferencial

resistencia de diodo

Resistencia corriente continua rp transición: .

La resistencia de CC se caracteriza por la pendiente de la línea recta trazada desde el origen hasta Punto dado. Esta resistencia también depende de la magnitud de la corriente: al aumentar I, la resistencia disminuye . R Ge< R Si .

La característica IV de un diodo semiconductor es algo diferente de la característica IV de un diodo ideal. Entonces, debido a la fuga de corriente a través de la superficie del cristal, la corriente inversa real será mayor que la corriente térmica. En consecuencia, la resistencia inversa de un diodo real es menor que la de uno ideal. rp transición.

La caída de tensión directa es mayor que la ideal rp transición. Esto se debe a la caída de voltaje a través de las capas de semiconductores. R y PAGS escribe. Además, en diodos reales una de las capas R o PAGS tiene una mayor concentración de portadores principales que el otro. Una capa con una alta concentración de portadores mayoritarios se llama emisor; tiene una resistencia despreciable. Una capa con una menor concentración de portadores mayoritarios se denomina base. Tiene bastante resistencia.

El aumento en la caída de tensión directa se produce debido a la caída de tensión en la resistencia base.

Para calcular circuitos electrónicos que contienen diodos semiconductores, se hace necesario representarlos en forma de circuitos equivalentes. El circuito equivalente de un diodo semiconductor con una aproximación lineal por partes de su CVC se muestra en la figura 1.7. La figura 1.8 muestra circuitos equivalentes que utilizan las características I–V de un diodo ideal y las características I–V de un diodo ideal. pn transición ( rd es la resistencia del diodo, r es la resistencia de fuga del diodo).

Figura 1.7. Aproximación de la característica corriente-voltaje de un diodo

segmentos lineales

Figura 1.8. Reemplazo de diodos usando características I-V

diodo ideal (a) y CVC ideal pn transición (b)

El funcionamiento de un diodo en un circuito con carga. Considere el circuito más simple con un diodo y una resistencia, y la acción de un voltaje bipolar en su entrada (Fig. 1.9). El patrón de distribución de voltaje en los elementos del circuito está determinado por la posición de las líneas de carga (Fig. 1.10): en el gráfico del CVC del diodo, se trazan dos puntos a lo largo del eje de voltaje en ambas direcciones, determinado por +Um y –Mmm voltaje de suministro, que corresponde al voltaje a través del diodo con una carga en cortocircuito R norte, y las corrientes se depositan en el eje de corriente en ambas direcciones U m / R norte y - Um / Rn, que corresponde a un diodo en cortocircuito. Estos dos puntos están conectados en pares por líneas rectas, que se llaman carga. Intersecciones de líneas de carga R norte en el primer y tercer cuadrante con ramas

Las características I–V del diodo para cada fase de la tensión de alimentación corresponden a

Arroz. 1.9. Circuito con diodo y Fig. 1.10. Diodo CVC con carga

carga directa

sus corrientes idénticas (lo cual es necesario cuando están conectados en serie) y determinan la posición de los puntos de operación.

media onda positiva U>0, U=U m.

Esta polaridad es directa para un diodo. La corriente y el voltaje siempre satisfarán la característica corriente-voltaje:

,

Es más:

U d \u003d U m - I d R H;

a Yo d \u003d 0, U d \u003d U m;

a U d \u003d 0, I d \u003d U m / R H;

con conexión directa U m >> Arriba pr(Figura 1.10).

A aplicación práctica arriba pr>0 (arriba pr- tensión directa) cuando el diodo está abierto. Cuando el diodo opera en la dirección directa, el voltaje a través de él es mínimo - ( ge-0,4 V; Si-0,7 V), y puede considerarse aproximadamente igual a cero. La corriente será entonces máxima.

Figura 1.11. Señales de tensión y corriente en un circuito de diodos con carga.

.

media onda negativa tu<0, U= -U m .

La característica del diodo es la misma, pero

U d \u003d -U m -I d R H,;

Yo d \u003d 0, U d \u003d U m;

U d = 0, I d = U m /R H ; OH<

Capacidades rp transición. cuando está encendido rp transición en la dirección opuesta, así como a pequeños voltajes directos en la región rp transición hay una doble capa eléctrica: en Ráreas - negativas, en PAGSáreas - positivo.

La acumulación de una carga no compensada en esta capa da lugar a la aparición de una capacitancia rp transición, que se denomina capacitancia de barrera. Caracteriza el cambio en la carga acumulada con un cambio en el voltaje externo de acuerdo con la Fig. 1.12. C b \u003d dQ / dU .

Arroz. 1.12. Dependencia de la capacitancia de la barrera

del voltaje inverso.

La capacitancia de la barrera depende de las dimensiones geométricas rp transición. con el aumento tu arr ancho rp la transición aumenta y la capacitancia disminuye.

Cuando el diodo se enciende hacia adelante, la capacitancia de la barrera prácticamente desaparece y los portadores minoritarios transferidos desde el emisor se acumulan en la capa base del diodo. Esta acumulación de carga también crea un efecto de capacitancia, que se denomina capacitancia de difusión. Discos compactos suele exceder cb.

La capacidad de difusión se determina C d \u003d dQ d / dU.

Estas capacitancias afectan el funcionamiento de los diodos a altas frecuencias. Capacidades rp la transición está incluida en el circuito equivalente (Fig. 1.13).

Arroz. 1.13. Circuitos equivalentes de diodos teniendo en cuenta las capacidades:

a – capacidad de barrera; b - capacidad de difusión

Procesos transitorios en diodos. Cuando los diodos operan con señales de alta frecuencia (1-10 MHz), el proceso de transición de un estado no conductor a un estado conductor y viceversa no ocurre instantáneamente debido a la presencia de capacitancia en la transición, debido a la acumulación de cargas en la base del diodo.

La figura 1.14 muestra los diagramas de tiempo de los cambios de corriente a través del diodo y la carga con pulsos rectangulares de la tensión de alimentación. Las capacitancias en el circuito del diodo distorsionan los bordes de entrada y salida de los pulsos, lo que hace que aparezca el tiempo de absorción. tp.

Al elegir un diodo para un circuito en particular, se deben tener en cuenta sus propiedades de frecuencia y velocidad.

Arroz. 1.14. Procesos transitorios en

diodo de conmutación:

t f1- la duración del borde de ataque de la transición;

t f2- la duración del borde de fuga;

tp- tiempo de disolución.

Desglose rp transición. El voltaje inverso del diodo no puede aumentar a un valor arbitrariamente grande. En algún voltaje inverso, característico de cada tipo de diodo, hay un fuerte aumento en la corriente inversa. Este efecto se denomina ruptura de transición. Hay varios tipos de averías (Fig. 1.15):

1 - ruptura de avalancha, cuando se produce un aumento en la corriente inversa debido a la multiplicación de avalancha de portadores no principales;

Arroz. 1.15. CVC para varios tipos de avería

Ruptura de 2 túneles, cuando se produce la superación de la barrera de potencial y la capa de bloqueo por efecto túnel.

Durante avalanchas y averías en túneles, la corriente inversa aumenta a un voltaje inverso constante.

Estas son las averías eléctricas. Son reversibles. Después de la eliminación tu arr el diodo recupera sus propiedades.

3- Ruptura térmica, se produce cuando la cantidad de calor liberada en rp unión, la superficie del diodo emite más calor al medio ambiente. Sin embargo, con el aumento de la temperatura rp transición, la concentración de portadores minoritarios aumenta, lo que conduce a un aumento aún mayor en la corriente inversa, lo que, a su vez, conduce a un aumento de la temperatura, etc. Dado que para diodos hechos a base de germanio, yo llego más que para los diodos basados ​​en silicio, entonces para los primeros, la probabilidad de ruptura térmica es mayor que para los segundos. Por tanto, la temperatura máxima de funcionamiento de los diodos de silicio es superior (150 o ... 200 o C) a la de los de germanio (75 o ... 90 o C).

Con este desglose rp la transición se destruye.

Preguntas de prueba.

1. ¿Qué es un diodo semiconductor? ¿Característica de corriente-voltaje de un diodo ideal y real?

2. ¿Qué materiales se utilizan para fabricar diodos semiconductores? ¿Cómo crear regiones de uno u otro tipo de conductividad en un sustrato semiconductor?

3. ¿Cuál es el campo eléctrico intrínseco en un cristal en el límite p-n-¿transición? ¿Cómo cambia cuando se aplica un voltaje externo?

4. ¿Qué explica el efecto de la conducción unidireccional? p-n- unión en un semiconductor?

5. Características de corriente-voltaje pn-transiciones para diodos de germanio y silicio cuando cambia la temperatura externa?

6. ¿Cómo se determina la resistencia diferencial de un diodo?

7. ¿Cómo se construyen las características de corriente-voltaje de un diodo con una línea recta de carga?

8. Explique el mecanismo de formación de las capacidades de barrera y difusión del diodo. ¿Cómo afectan el funcionamiento del diodo en los circuitos de corriente alterna?

Conferencia 2 tipos especiales

Los semiconductores son sustancias que ocupan una posición intermedia entre los conductores y los aislantes en sus propiedades conductoras de electricidad.
En los semiconductores, como en los metales, la corriente es un movimiento ordenado de partículas cargadas.
Sin embargo, junto con el movimiento de cargas negativas (electrones) en los semiconductores, existe un movimiento ordenado de cargas positivas, los llamados. - agujeros.

agujeros obtenidos con la participación iones Sustancias semiconductoras: átomos con electrones fuera de control. En realidad, los átomos ionizados no dejan su lugar en la red cristalina. De hecho, hay un cambio gradual en el estado de los átomos de la materia, cuando los electrones saltan de un átomo a otro. Hay un proceso que aparentemente parece un movimiento ordenado de algunas partículas condicionales cargadas positivamente: agujeros.

En un semiconductor puro ordinario, la relación agujeros y electrodos libres 50%:50%.
Pero vale la pena agregar una pequeña cantidad de sustancia: impurezas al semiconductor, ya que esta proporción sufre cambios significativos. Dependiendo de las características de la sustancia añadida, el semiconductor adquiere una conductividad electrónica pronunciada (tipo n) o los agujeros (tipo p) se convierten en sus principales portadores.

Unión de semiconductores (p-n) se forma en la unión de dos fragmentos de un material semiconductor que tiene diferente conductividad. Es una región extremadamente delgada desprovista de ambos tipos de portadores. La unión p-n tiene poca resistencia cuando la dirección de la corriente es directa y una resistencia muy grande cuando la dirección de la corriente es inversa.

Un diodo semiconductor convencional consta de una única unión semiconductora provista de dos terminales: ánodo(electrodo positivo) y cátodo- electrodo negativo. En consecuencia, el diodo tiene la propiedad conducción unilateral- conduce bien la corriente en sentido directo y mal en sentido contrario.

¿Qué significa esto en la práctica?
Imagine un circuito eléctrico que consta de una batería y una bombilla incandescente conectadas en serie a través de un diodo semiconductor. La lámpara sólo se encenderá si ánodo(electrodo positivo) está conectado al más de la fuente de alimentación (batería) y cátodo(electrodo negativo) al menos - a través del filamento de la bombilla.

Esta es la inclusión directa de un diodo semiconductor. Si invierte la polaridad de la fuente de alimentación, el diodo se encenderá al revés, la luz no se encenderá. Preste atención a cómo se ve la designación de un diodo semiconductor en el diagrama: una flecha triangular que indica una conexión directa coincide con la dirección de la corriente generalmente aceptada en ingeniería eléctrica, desde el más de la fuente de alimentación hasta el menos. El guión vertical adyacente simboliza un obstáculo para el movimiento de la corriente en la dirección opuesta.

Hay un requisito previo para el funcionamiento normal de cualquier diodo semiconductor. El voltaje de la fuente de alimentación debe exceder un cierto umbral (el valor del potencial de polarización interno Unión PN). Para los diodos rectificadores, suele ser inferior a 1 voltio, para los diodos de alta frecuencia de germanio es de aproximadamente 0,1 voltios, para los LED puede superar los 3 voltios. Esta propiedad de los diodos semiconductores se puede utilizar para crear fuentes de alimentación estabilizadas de bajo voltaje.

Si vuelve a conectar el diodo y aumenta gradualmente el voltaje de la fuente de alimentación, en algún momento definitivamente ocurrirá una ruptura eléctrica inversa de la unión p-n. El diodo comenzará a pasar corriente en la dirección opuesta y la unión se dañará. El valor del voltaje inverso máximo permitido (Ureverse) varía ampliamente para diferentes tipos de diodos semiconductores y es un parámetro muy importante.

El segundo parámetro, no menos importante, se puede llamar el valor límite de la corriente directa Upr. Este parámetro depende directamente de la magnitud de la caída de voltaje en la unión del diodo semiconductor, el material del semiconductor y las características de transferencia de calor de la carcasa.

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Depende fuertemente de la concentración de impurezas. Los semiconductores cuyas propiedades electrofísicas dependen de las impurezas de otros elementos químicos se denominan semiconductores de impurezas. Hay dos tipos de impurezas, donante y aceptor.

Donante se denomina impureza, cuyos átomos dan al semiconductor electrones libres, y la conductividad eléctrica obtenida en este caso, asociada al movimiento de electrones libres, es electrónico. Un semiconductor con conductividad electrónica se denomina semiconductor electrónico y se denota convencionalmente con la letra latina n, la primera letra de la palabra "negativo".

Consideremos el proceso de formación de conductividad electrónica en un semiconductor. Tomamos el silicio como el principal material semiconductor (los semiconductores de silicio son los más comunes). El silicio (Si) tiene cuatro electrones en la órbita exterior del átomo, que determinan sus propiedades electrofísicas (es decir, se mueven bajo la influencia del voltaje para crear una corriente eléctrica). Cuando los átomos de impureza de arsénico (As) se introducen en el silicio, que tiene cinco electrones en la órbita exterior, cuatro electrones interactúan con cuatro electrones de silicio, formando un enlace covalente, y el quinto electrón de arsénico permanece libre. En estas condiciones, se separa fácilmente del átomo y tiene la oportunidad de moverse en la sustancia.

aceptador Una impureza se denomina impureza cuyos átomos aceptan electrones de los átomos del semiconductor principal. La conductividad eléctrica resultante, asociada con el movimiento de cargas positivas (agujeros), se llama agujero. Un semiconductor con conductividad eléctrica de orificio se denomina semiconductor de orificio y se denota convencionalmente con la letra latina p, la primera letra de la palabra "positivo".

Consideremos el proceso de formación de la conductividad del hueco. cuando se introducen átomos de impureza de indio (In) en el silicio, que tiene tres electrones en la órbita exterior, se enlazan con tres electrones de silicio, pero este enlace resulta ser incompleto: falta un electrón más para enlazar con el cuarto electrón de silicio. El átomo de impureza une el electrón faltante de uno de los átomos cercanos del semiconductor principal, después de lo cual se une a los cuatro átomos vecinos. Debido a la adición de un electrón, adquiere un exceso de carga negativa, es decir, se convierte en un ion negativo. Al mismo tiempo, el átomo semiconductor, del que salió el cuarto electrón para el átomo de impureza, resulta estar conectado con los átomos vecinos por solo tres electrones. así, hay un exceso de carga positiva y aparece un enlace vacío, es decir agujero.

Una de las propiedades importantes de un semiconductor es que, en presencia de huecos, puede pasar una corriente a través de él, incluso si no hay electrones libres en él. Esto se debe a la capacidad de los agujeros para moverse de un átomo semiconductor a otro.

Mover "agujeros" en un semiconductor

Al introducir una impureza donadora en una parte de un semiconductor y una impureza aceptora en otra parte, es posible obtener regiones con conductividad de electrones y huecos. La llamada transición electrón-hueco se forma en el límite entre las regiones de conducción electrónica y de huecos.

Unión PN

Considere los procesos que ocurren cuando la corriente pasa a través transición electrón-hueco. La capa de la izquierda, etiquetada como n, es conductora electrónica. La corriente en él está asociada con el movimiento de electrones libres, que convencionalmente se indican mediante círculos con un signo menos. La capa derecha, denotada por la letra p, tiene conductividad de huecos. La corriente en esta capa está asociada con el movimiento de los agujeros, que se indican mediante círculos con un "más" en la figura.

Movimiento de electrones y huecos en el régimen de conducción directa

Movimiento de electrones y huecos en el régimen de conducción inversa.

Cuando los semiconductores con diferentes tipos de conductividad entran en contacto, los electrones debido a difusión comenzará a moverse a la región p, y los agujeros, a la región n, como resultado de lo cual la capa límite de la región n está cargada positivamente y la capa límite de la región p está cargada negativamente. Entre las regiones surge un campo eléctrico, que es, por así decirlo, barreras para los principales portadores de corriente, por lo que se forma una región con una concentración de carga reducida en la unión p-n. El campo eléctrico en la unión p-n se denomina barrera de potencial, y la unión p-n se denomina capa de bloqueo. Si la dirección del campo eléctrico externo es opuesta a la dirección del campo de la unión p-n ("+" en la región p, "-" en la región n), entonces la barrera de potencial disminuye, la concentración de cargas en la unión p-n aumenta, el ancho y, por lo tanto, la resistencia de transición disminuye. Cuando se cambia la polaridad de la fuente, el campo eléctrico externo coincide con la dirección del campo de la unión p-n, el ancho y la resistencia de la unión aumentan. Por lo tanto, la unión p-n tiene propiedades de válvula.

diodo semiconductor

diodo llamado dispositivo semiconductor de conversión eléctrica con una o más uniones p-n y dos conductores. Dependiendo del propósito principal y el fenómeno utilizado en la unión p-n, existen varios tipos funcionales principales de diodos semiconductores: rectificador, alta frecuencia, pulso, túnel, diodos zener, varicaps.

Básico características de los diodos semiconductores es la característica corriente-voltaje (VAC). Para cada tipo de diodo semiconductor, la característica I–V tiene una forma diferente, pero todos se basan en la característica I–V de un diodo rectificador de unión, que tiene la forma:

Característica de voltaje de corriente (CVC) del diodo: 1 - característica de voltaje de corriente continua; 2 - característica de voltaje de corriente inversa; 3 - área de avería; 4 - aproximación rectilínea de la característica corriente-tensión continua; Upor es el voltaje de umbral; rdyn es la resistencia dinámica; Uprob - voltaje de ruptura

La escala a lo largo del eje y para valores negativos de corrientes se elige muchas veces mayor que para valores positivos.

Las características de corriente-voltaje de los diodos pasan por cero, pero aparece una corriente suficientemente notable solo cuando voltaje de umbral(U entonces), que para diodos de germanio es de 0,1 - 0,2 V, y para diodos de silicio es de 0,5 - 0,6 V. En la región de valores de voltaje negativos en el diodo, a voltajes ya relativamente bajos (U arr. ) ocurre corriente inversa(Llego). Esta corriente es creada por portadores minoritarios: electrones de la región p y huecos de la región n, cuya transición de una región a otra se ve facilitada por una barrera de potencial cerca de la interfaz. Con un aumento en el voltaje inverso, no se produce un aumento en la corriente, ya que la cantidad de portadores minoritarios que aparecen en el límite de transición por unidad de tiempo no depende del voltaje aplicado desde el exterior, si no es muy grande. La corriente inversa para los diodos de silicio es varios órdenes de magnitud menor que para los de germanio. Aumento adicional en el voltaje inverso a cortocircuito(U muestras) conduce al hecho de que los electrones de la banda de valencia pasan a la banda de conducción, hay efecto zener. En este caso, la corriente inversa aumenta bruscamente, lo que provoca el calentamiento del diodo y un mayor aumento de la corriente conduce a la ruptura térmica y la destrucción de la unión p-n.

Designación y definición de los principales parámetros eléctricos de los diodos.

Designación de diodo semiconductor

Como se mencionó anteriormente, el diodo conduce corriente en una dirección (es decir, idealmente, es solo un conductor con baja resistencia), en la otra dirección no lo hace (es decir, se convierte en un conductor con muy alta resistencia), en una palabra , Tiene conducción unilateral. En consecuencia, sólo tiene dos conclusiones. Ellos, como ha sido habitual desde la época de la tecnología de las lámparas, se llaman ánodo(conclusión positiva) y cátodo(negativo).

Todos los diodos semiconductores se pueden dividir en dos grupos: rectificadores y especiales. diodos rectificadores, como su nombre lo indica, están diseñados para rectificar corriente alterna. Dependiendo de la frecuencia y la forma del voltaje alterno, se dividen en alta frecuencia, baja frecuencia y pulso. Especial tipos de diodos semiconductores utilizan diferentes propiedades p-n-transiciones; fenómeno de ruptura, capacitancia de barrera, presencia de áreas con resistencia negativa, etc.

diodos rectificadores

Estructuralmente, los diodos rectificadores se dividen en planos y puntuales, y según la tecnología de fabricación, en aleación, difusión y epitaxial. Los diodos planos, debido a la gran área de la unión p-n, se utilizan para rectificar altas corrientes. Los diodos puntuales tienen un área de unión pequeña y, en consecuencia, están diseñados para la rectificación pequeñas corrientes. Para aumentar el voltaje de ruptura de avalancha, se utilizan polos rectificadores, que consisten en una serie de diodos conectados en serie.

Los diodos rectificadores de alta potencia se denominan energía. El material para estos diodos suele ser silicio o arseniuro de galio. Los diodos de aleación de silicio se utilizan para rectificar corriente alterna con una frecuencia de hasta 5 kHz. Los diodos de difusión de silicio pueden operar a frecuencias más altas, hasta 100 kHz. Los diodos epitaxiales de silicio con sustrato metálico (con barrera Schottky) se pueden utilizar a frecuencias de hasta 500 kHz. Los diodos de arseniuro de galio son capaces de operar en el rango de frecuencia de hasta varios MHz.

Los diodos de potencia generalmente se caracterizan por un conjunto de parámetros estáticos y dinámicos. A parámetros estáticos diodos incluyen:

• caída de voltaje U CR en el diodo a un cierto valor de corriente continua;
• corriente inversa Llego a un cierto valor del voltaje inverso;
• significar corriente continua Yo pr.cf. ;
• impulsivo tensión inversa U arr. ;

A parámetros dinámicos diodo son sus características de tiempo y frecuencia. Estas opciones incluyen:

• tiempo de recuperación tensión inversa;
• hora de levantarse corriente directa I hacia fuera. ;
• frecuencia límite sin reducir los modos del diodo f max .

Los parámetros estáticos se pueden configurar de acuerdo con la característica de corriente-voltaje del diodo.

El tiempo de recuperación inversa del diodo tvos es el principal parámetro de los diodos rectificadores, que caracteriza sus propiedades inerciales. Se determina cambiando el diodo de una corriente directa I CR dada a un voltaje inverso U arr dado. Durante la conmutación, el voltaje a través del diodo adquiere el valor opuesto. Debido a la inercia del proceso de difusión, la corriente en el diodo no se detiene instantáneamente, pero con el tiempo t nar. En esencia, hay una reabsorción de cargas en el límite de la unión p-n (es decir, una descarga de capacidad equivalente). De esto se deduce que las pérdidas de potencia en el diodo aumentan considerablemente cuando se enciende, especialmente cuando se apaga. Como consecuencia, pérdidas en el diodo aumenta con el aumento de la frecuencia de la tensión rectificada.

Cuando la temperatura del diodo cambia, sus parámetros cambian. El voltaje directo en el diodo y su corriente inversa dependen más fuertemente de la temperatura. Aproximadamente, podemos suponer que TKN (coeficiente de temperatura de voltaje) Upr \u003d -2 mV / K, y la corriente inversa del diodo tiene un coeficiente positivo. Entonces, con un aumento de temperatura por cada 10 ° C, la corriente inversa de los diodos de germanio aumenta 2 veces y el silicio, 2,5 veces.

Diodos con barrera de Schottky

Para la rectificación de pequeños voltajes de alta frecuencia son ampliamente utilizados diodos de barrera schottky. En estos diodos, en lugar de una unión p-n, se utiliza una superficie de contacto de metal. En el punto de contacto, aparecen capas de semiconductores empobrecidos en portadores de carga, que se denominan capas de cierre. Los diodos con barrera de Schottky se diferencian de los diodos con unión p-n en los siguientes aspectos:

• más recto bajo caída de voltaje;
• ten mas reversa baja Voltaje;
• más alta corriente fugas;
• casi sin cargo recuperación inversa.

Dos características principales hacen que estos diodos sean indispensables: baja caída de tensión directa y rápido tiempo de recuperación de la tensión inversa. Además, la ausencia de medios menores que requieran tiempo de recuperación significa sin pérdida para cambiar el diodo en sí.

El voltaje máximo de los diodos Schottky modernos es de aproximadamente 1200 V. A este voltaje, el voltaje directo del diodo Schottky es menor que el voltaje directo de los diodos con unión p-n en 0,2 ... 0,3 V.

Las ventajas del diodo Schottky se notan especialmente cuando se rectifican voltajes bajos. Por ejemplo, un diodo Schottky de 45 voltios tiene un voltaje directo de 0,4 ... 0,6 V y, con la misma corriente, un diodo de unión p-n tiene una caída de voltaje de 0,5 ... 1,0 V. Cuando el voltaje inverso cae a 15 V, la tensión directa disminuye a 0,3 ... 0,4 V. En promedio, el uso de diodos Schottky en el rectificador permite reducir las pérdidas en aproximadamente un 10 ... 15%. La frecuencia operativa máxima de los diodos Schottky supera los 200 kHz.

La teoría es buena, pero la teoría sin práctica es solo sacudir el aire.

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