D iodio- il dispositivo più semplice della gloriosa famiglia dei dispositivi a semiconduttore. Se prendiamo una piastra semiconduttrice, ad esempio germanio, e introduciamo un'impurità accettore nella sua metà sinistra e in quella donatrice destra, da un lato otteniamo un semiconduttore di tipo P, rispettivamente, dall'altro, tipo N Nel mezzo del cristallo, otteniamo il cosiddetto Transizione P-N come mostrato in figura 1.

La stessa figura mostra la designazione grafica condizionale del diodo nei diagrammi: l'uscita del catodo (elettrodo negativo) è molto simile al segno "-". È più facile ricordare in questo modo.

In totale, in un tale cristallo ci sono due zone con conducibilità diversa, da cui escono due conclusioni, quindi il dispositivo risultante è chiamato diodo perché il prefisso "di" significa due.

In questo caso, il diodo si è rivelato un semiconduttore, ma prima erano noti dispositivi simili: ad esempio, nell'era tubi elettronici c'era un diodo a tubo chiamato kenotron. Ora tali diodi sono passati alla storia, anche se gli aderenti al suono "valvolare" credono che anche il raddrizzatore di tensione anodico in un amplificatore a valvole dovrebbe essere un tubo!

Figura 1. La struttura del diodo e la designazione del diodo nel diagramma

All'incrocio di semiconduttori con conduttività P e N, risulta Giunzione P-N (giunzione P-N), che è alla base di tutti i dispositivi a semiconduttore. Ma a differenza di un diodo, che ha una sola giunzione, hanno due giunzioni P-N e, ad esempio, sono costituite da quattro giunzioni contemporaneamente.

Giunzione P-N a riposo

Anche se la giunzione P-N, in questo caso il diodo, non è collegata da nessuna parte, al suo interno si verificano comunque interessanti processi fisici, che sono mostrati in Figura 2.

Figura 2. Diodo a riposo

Nella regione N c'è un eccesso di elettroni, porta una carica negativa e nella regione P la carica è positiva. Insieme si formano queste accuse campo elettrico. Poiché a differenza delle cariche tendono ad attrarsi, gli elettroni dalla zona N penetrano nella zona P caricata positivamente, riempiendo alcuni buchi. Come risultato di un tale movimento all'interno del semiconduttore, si genera ancora una corrente, sebbene molto piccola (unità di nanoampere).

Come risultato di un tale movimento, la densità della materia sul lato P aumenta, ma fino a un certo limite. Le particelle di solito tendono a diffondersi uniformemente in tutto il volume della sostanza, proprio come l'odore del profumo si diffonde nella stanza (diffusione), quindi prima o poi gli elettroni tornano nella zona N.

Se per la maggior parte dei consumatori di elettricità la direzione della corrente non ha un ruolo: la lampadina si accende, la piastrella si riscalda, quindi per il diodo la direzione della corrente gioca un ruolo enorme. La funzione principale di un diodo è quella di condurre la corrente in una direzione. È questa proprietà che è fornita dalla giunzione P-N.

Accendere il diodo nella direzione opposta

Se si collega una fonte di alimentazione a un diodo a semiconduttore, come mostrato nella Figura 3, la corrente non passerà attraverso la giunzione P-N.

Figura 3. Diodo invertito

Come si può vedere nella figura, il polo positivo dell'alimentatore è collegato all'area N e il polo negativo è collegato all'area P. Di conseguenza, gli elettroni della regione N corrono verso il polo positivo della sorgente. A loro volta, le cariche positive (buchi) nella regione P sono attratte dal polo negativo della fonte di alimentazione. Pertanto, nel Aree P-N transizione, come si può vedere nella figura, si forma un vuoto, semplicemente non c'è nulla che conduca corrente, non ci sono portatori di carica.

All'aumentare della tensione di alimentazione, elettroni e lacune vengono attratti sempre di più. campo elettrico batterie, nella regione della giunzione P-N, ci sono sempre meno portatori di carica. Pertanto, nella connessione inversa, nessuna corrente scorre attraverso il diodo. In questi casi, è consuetudine dirlo il diodo a semiconduttore è bloccato dalla tensione inversa.

Porta a un aumento della densità della materia vicino ai poli della batteria diffusione, - il desiderio di una distribuzione uniforme della sostanza in tutto il volume. Cosa succede quando la batteria è spenta.

Diodo a semiconduttore a corrente inversa

È qui che è giunto il momento di ricordare i vettori minori che sono stati condizionalmente dimenticati. Il fatto è che anche nello stato chiuso, una piccola corrente passa attraverso il diodo, chiamato inverso. Questo corrente inversa ed è creato da vettori non primari, che possono muoversi esattamente allo stesso modo di quelli primari, solo in direzione opposta. Naturalmente, un tale movimento si verifica con una tensione inversa. La corrente inversa è generalmente piccola, a causa del piccolo numero di portatori di minoranza.

Con un aumento della temperatura del cristallo, aumenta il numero di portatori minoritari, il che porta ad un aumento della corrente inversa, che può portare a Distruzione PN transizione. Pertanto, le temperature di esercizio per i dispositivi a semiconduttore - diodi, transistor, microcircuiti sono limitate. Per prevenire il surriscaldamento, sui dissipatori di calore sono installati potenti diodi e transistor - radiatori.

Accensione del diodo in avanti

Mostrato in figura 4.

Figura 4. Collegamento diretto del diodo

Ora cambiamo la polarità della sorgente: colleghiamo il meno alla regione N (catodo) e il più alla regione P (anodo). Con questa inclusione nella regione N, gli elettroni verranno respinti dal meno della batteria e si sposteranno verso Lato P-N transizione. Nella regione P, i fori caricati positivamente verranno respinti dal terminale positivo della batteria. Elettroni e lacune corrono l'uno verso l'altro.

Particelle cariche con polarità diversa si raccolgono vicino alla giunzione P-N, tra di loro si crea un campo elettrico. Pertanto, gli elettroni superano la giunzione PN e continuano a muoversi attraverso la zona P. Allo stesso tempo, alcuni di essi si ricombinano con i buchi, ma la maggior parte di essi si precipita al vantaggio della batteria, la corrente Id è passata attraverso il diodo.

Questa corrente è chiamata corrente continua. È limitato dai dati tecnici del diodo, un valore massimo. Se questo valore viene superato, esiste il pericolo di guasto del diodo. Tuttavia, va notato che la direzione della corrente continua nella figura coincide con il movimento inverso generalmente accettato degli elettroni.

Si può anche dire che nella direzione diretta dell'accensione resistenza elettrica diodo è relativamente piccolo. Alla riaccensione, questa resistenza sarà molte volte maggiore, nessuna corrente scorre attraverso il diodo a semiconduttore (qui non viene presa in considerazione una leggera corrente inversa). Da quanto precede, possiamo concludere che il diodo si comporta come una valvola meccanica convenzionale: ruotato in una direzione - l'acqua scorre, ruotato nell'altra - il flusso si è interrotto. Per questa proprietà è stato chiamato il diodo cancello a semiconduttore.

Per comprendere in dettaglio tutte le capacità e le proprietà di un diodo a semiconduttore, dovresti conoscerlo volt - caratteristica ampere. È anche una buona idea conoscere i vari design dei diodi e le proprietà di frequenza, nonché i pro ei contro. Questo sarà discusso nel prossimo articolo.

C'è un altro modo per ridurre la tensione sul carico, ma solo per i circuiti CC. Vedi qui.

Invece di un resistore aggiuntivo, viene utilizzata una catena di diodi collegati in serie nella direzione in avanti.

Il punto è che quando la corrente scorre attraverso il diodo, su di esso scende una "tensione diretta", uguale, a seconda del tipo di diodo, della potenza e della corrente che lo attraversa, da 0,5 a 1,2 Volt.

Sul diodo al germanio, la tensione scende di 0,5 - 0,7 V, sul diodo al silicio da 0,6 a 1,2 Volt. In base a quanti volt sono necessari per abbassare la tensione al carico, accendere il numero appropriato di diodi.

Per abbassare la tensione di 6 V, è necessario accendere approssimativamente: 6 V: 1,0 \u003d 6 pezzi di diodi al silicio, 6 V: 0,6 \u003d 10 pezzi di diodi al germanio. I diodi al silicio sono i più popolari e disponibili.

Il circuito sopra con diodi è più ingombrante in esecuzione rispetto a un semplice resistore. Ma la tensione di uscita, in un circuito con diodi, è più stabile e debolmente dipendente dal carico. Qual è la differenza tra questi due metodi per ridurre la tensione di uscita?

In Fig 1 - resistenza aggiuntiva - resistore (resistenza del filo), Fig 2 - resistenza aggiuntiva - diodo.

Un resistore (resistenza del filo) ha una relazione lineare tra la corrente che lo attraversa e la caduta di tensione che lo attraversa. Di quante volte aumenta la corrente, la caduta di tensione attraverso il resistore aumenterà della stessa quantità.

Dall'esempio 1: se ne colleghiamo un'altra in parallelo alla lampadina, allora la corrente nel circuito aumenterà, tenendo conto della resistenza totale delle due lampadine fino a 0,66 A. La caduta di tensione attraverso la resistenza aggiuntiva sarà : 12 Ohm * 0,66 A = 7,92 V Le lampadine rimarranno: 12 V - 7,92 V = 4,08 V. Bruceranno sul pavimento del bagliore.

Un'immagine completamente diversa sarà se al posto di un resistore c'è una catena di diodi.

La relazione tra la corrente che scorre attraverso un diodo e la caduta di tensione attraverso di esso non è lineare. La corrente può aumentare più volte, la caduta di tensione attraverso il diodo aumenterà solo di pochi decimi di volt.

Quelli. maggiore è la corrente del diodo, minore (rispetto al resistore) aumenta la sua resistenza. La caduta di tensione attraverso i diodi dipende poco dalla corrente nel circuito.

I diodi in un tale circuito agiscono come stabilizzatori di tensione. I diodi devono essere selezionati in base alla corrente massima nel circuito. Massimo corrente ammissibile i diodi devono essere maggiori della corrente nel circuito calcolato.

Nella tabella sono riportate le cadute di tensione su alcuni diodi con una corrente di 0,5 A.

In catene corrente alternata, come resistenza aggiuntiva, è possibile utilizzare un condensatore, un'induttanza, un dinistor o un tiristore (con l'aggiunta di un circuito di controllo).

Diodo a semiconduttore - elemento circuito elettrico, che ha due terminali e ha una conduttività elettrica unilaterale. Tutti i diodi a semiconduttore possono essere divisi in due gruppi: raddrizzatori e speciali. I diodi raddrizzatori, come suggerisce il nome, sono progettati per rettificare la corrente alternata. A seconda della frequenza e della forma Tensione AC si dividono in alta frequenza, bassa frequenza e pulsazione. Tipi speciali di diodi a semiconduttore utilizzano proprietà diverse pag transizioni: fenomeno di rottura, capacità di barriera, presenza di sezioni con resistenza negativa, ecc.

Strutturalmente, i diodi raddrizzatori sono divisi in planari e puntuali e, secondo la tecnologia di produzione, in lega, diffusione ed epitassiale. Diodi planari a causa dell'ampia area pag-le giunzioni servono per rettificare le correnti elevate. I diodi puntiformi hanno una piccola area di giunzione e, di conseguenza, sono progettati per rettificare piccole correnti. Per aumentare la tensione di rottura della valanga, vengono utilizzati i poli raddrizzatori, costituiti da una serie di diodi collegati in serie.

I diodi raddrizzatori ad alta potenza sono chiamati diodi di potenza. Il materiale per tali diodi è solitamente silicio o arseniuro di gallio. Il germanio non è praticamente utilizzato a causa della forte dipendenza dalla temperatura della corrente inversa. I diodi in lega di silicio vengono utilizzati per rettificare la corrente alternata fino a 5 kHz. I diodi a diffusione di silicio possono funzionare a frequenze elevate fino a 100 kHz. I diodi epitassiali al silicio con un substrato metallico (con una barriera Schottky) possono essere utilizzati a frequenze fino a 500 kHz. I diodi all'arseniuro di gallio sono in grado di funzionare nella gamma di frequenza fino a diversi MHz.

Il funzionamento dei diodi si basa sull'uso di una giunzione elettrone-lacuna, un sottile strato di materiale tra due aree tipo diverso conduttività elettrica - n e p. La proprietà principale di questa transizione è la conduttività elettrica asimmetrica, in cui il cristallo fa passare la corrente in una direzione e non nell'altra. Il dispositivo della transizione elettrone-lacuna è mostrato in Fig. 1.1, a. Una parte è drogata con impurità di un donatore e ha conduttività elettronica ( n-regione); l'altro, drogato con un'impurità accettore, ha conducibilità del foro ( p-regione). Le concentrazioni dei portatori nelle regioni differiscono nettamente. Inoltre, entrambe le parti contengono una piccola concentrazione di portatori di minoranza.

Fig.1.1. pag transizione:

a - dispositivo, b - spese di spazio

Elettroni dentro n- le aree tendono a penetrare p- regione in cui la concentrazione di elettroni è molto più bassa. Allo stesso modo, i buchi p-le aree vengono spostate n-regione. Come risultato del movimento in arrivo di cariche opposte, si forma una cosiddetta corrente di diffusione. Elettroni e lacune, dopo essere passati attraverso l'interfaccia, lasciano cariche opposte, che impediscono l'ulteriore passaggio della corrente di diffusione. Di conseguenza, l'equilibrio dinamico si stabilisce al confine e in chiusura p- e n- aree in cui non scorre corrente nel circuito. La distribuzione della densità di carica spaziale nella transizione è mostrata in Fig. 1.1, b. In questo caso, all'interno del cristallo all'interfaccia è presente un proprio campo elettrico E ott. , la cui direzione è mostrata in Fig. 1.1, a. La sua intensità è massima all'interfaccia, dove si verifica un brusco cambiamento nel segno della carica spaziale. E poi il semiconduttore è neutro.

Potenziale altezza della barriera a pag la transizione è determinata dalla differenza di potenziale di contatto n- e p-aree, che, a sua volta, dipende dalla concentrazione di impurità in esse:

, (1.1)

dove è il potenziale termico, Nn e pp sono le concentrazioni di elettroni e lacune in n- e p-le zone, n ioè la concentrazione di portatori di carica nel semiconduttore non drogato.

La differenza di potenziale di contatto per il germanio è 0,6 ... 0,7 V e per il silicio - 0,9 ... 1,2 V. L'altezza della barriera di potenziale può essere modificata applicando una tensione esterna a pag transizione. Se il campo della tensione esterna coincide con quello interno, l'altezza della barriera di potenziale aumenta; quando la tensione applicata viene invertita, l'altezza della barriera diminuisce. Se la tensione applicata è uguale alla differenza di potenziale di contatto, la barriera di potenziale scompare completamente.

Quindi, se una tensione esterna abbassa la barriera di potenziale, si dice diretta, e se la aumenta, si dice inversa.

Il simbolo e la caratteristica corrente-tensione (CVC) di un diodo ideale sono mostrati in Fig. 1.2.

L'uscita a cui deve essere applicato un potenziale positivo è chiamata anodo, l'uscita con potenziale negativo è chiamata catodo (Fig. 1.2, a). Un diodo ideale nella direzione conduttiva ha resistenza zero. Nella direzione non conduttiva - una resistenza infinitamente grande (Fig. 1.2, b).

Fig. 1.2 Simbolo (a) e CVC

caratteristica di un diodo ideale (b)

nei semiconduttori R-tipo, i fori sono i principali vettori. La conduttività elettrica del foro è stata creata introducendo atomi di un'impurità accettore. La loro valenza è uno in meno di quella degli atomi semiconduttori. In questo caso, gli atomi di impurità catturano gli elettroni semiconduttori e creano buchi: portatori di carica mobili.

nei semiconduttori n-digitare i portatori principali sono gli elettroni. La conduttività elettrica elettronica viene creata introducendo atomi di impurità del donatore. La loro valenza è una in più di quella degli atomi semiconduttori. Formare legami covalenti con gli atomi semiconduttori, gli atomi di impurità non usano 1 elettrone, che diventa libero. Gli atomi stessi diventano ioni positivi immobili.

Se una sorgente di tensione è collegata ai terminali esterni del diodo nella direzione in avanti, allora questa sorgente di tensione verrà creata quartiere campo elettrico di transizione diretto verso l'interno. Il campo risultante diminuirà. Questo avvierà il processo di diffusione. Una corrente continua scorrerà nel circuito del diodo. Maggiore è il valore della tensione esterna, minore è il valore del campo interno, più stretto è lo strato di blocco, maggiore è il valore della corrente diretta. Con un aumento della tensione esterna, la corrente continua aumenta in modo esponenziale (Fig. 1.3). Quando viene raggiunto un certo valore di sollecitazione esterna, la larghezza dello strato barriera si riduce a zero. La corrente diretta sarà limitata solo dalla resistenza del volume e aumenterà linearmente all'aumentare della tensione.

Fig.1.3. IV caratteristica di un diodo reale

In questo caso, la caduta di tensione attraverso il diodo è una caduta di tensione diretta. Il suo valore è piccolo e dipende dal materiale:

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

silicio si: U pr\u003d (0,6 - 1) V.

Se si cambia la polarità della tensione esterna, il campo elettrico di questa sorgente coinciderà con quello interno. Il campo risultante aumenterà, la larghezza dello strato barriera aumenterà e la corrente idealmente non scorrerà nella direzione opposta; ma poiché i semiconduttori non sono l'ideale e oltre ai principali vettori mobili ce ne sono un piccolo numero di minori, di conseguenza si crea una corrente inversa. Il suo valore dipende dalla concentrazione di portatori minoritari e di solito varia da poche a decine di microampere.

La concentrazione di portatori minoritari è inferiore alla concentrazione di quelli principali, quindi la corrente inversa è piccola. L'entità di questa corrente non dipende dall'entità della tensione inversa. La corrente inversa del silicio è di diversi ordini di grandezza inferiore a quella del germanio, ma i diodi al silicio hanno una caduta di tensione diretta maggiore. La concentrazione di portatori minoritari dipende dalla temperatura e, man mano che aumenta, aumenta la corrente inversa, quindi è chiamata corrente termica I o:

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

DT=T-T o ; e Ge =0,09k -1; e Si \u003d 0,13k -1; Io oGe >>Io oSi . .

C'è una formula approssimativa

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

dove T *- incremento di temperatura, che corrisponde ad un raddoppio della corrente termica,

T*Ge=8...10°C; T*Si=6°C.

Espressione analitica per VAC r-p la transizione è simile a:

, (1.2)

dove uè la tensione esterna applicata.

Per una temperatura di 20°C φ t = 0,025 V.

Con un aumento della temperatura dovuto ad un aumento della corrente termica e una diminuzione della barriera potenziale, una diminuzione della resistenza degli strati semiconduttori, si verifica uno spostamento del ramo diretto della caratteristica I–V nella regione di correnti elevate . La resistenza di volume dei semiconduttori diminuisce n e R. Di conseguenza, la caduta di tensione diretta sarà inferiore. All'aumentare della temperatura, a causa di una diminuzione della differenza tra le concentrazioni dei vettori maggiori e minori, la barriera potenziale dello strato barriera diminuisce, il che comporterà anche una diminuzione della U pr, poiché lo strato barriera scomparirà a una tensione inferiore.

La stessa corrente corrisponderà a diverse tensioni in avanti (Fig. 1.4), formando la differenza DU,

dove e- coefficiente di temperatura della tensione.

Se la corrente attraverso il diodo è costante, la caduta di tensione attraverso il diodo diminuirà. Con un aumento della temperatura di un grado, la caduta di tensione diretta diminuisce di 2 mV.

Riso. 1.4. VAC r-p transizione in Fig. 1.5. CVC di germanio e

diverse temperature dei diodi al silicio

All'aumentare della temperatura, il ramo inverso della caratteristica corrente-tensione si sposta verso il basso (Fig. 1.4). L'intervallo di temperatura di esercizio per i diodi al germanio è 80°C, per i diodi al silicio 150°C.

Le caratteristiche IV dei diodi al germanio e al silicio sono mostrate in Fig. 1.5.

Resistenza differenziale r-p transizione (Fig. 1.6):

(1.3)

Con l'aumento della corrente r d- diminuisce.

Fig. 1.6 Definizione di differenziale

resistenza a diodi

Resistenza corrente continua r-p transizione: .

La resistenza DC è caratterizzata dalla pendenza della retta tracciata dall'origine a dato punto. Questa resistenza dipende anche dall'entità della corrente: all'aumentare di I, la resistenza diminuisce . R Ge< R Si .

La caratteristica IV di un diodo a semiconduttore è alquanto diversa dalla caratteristica IV di un diodo ideale. Quindi, a causa della dispersione di corrente attraverso la superficie del cristallo, la corrente inversa reale sarà maggiore della corrente termica. Di conseguenza, la resistenza inversa di un diodo reale è inferiore a quella di uno ideale. r-p transizione.

La caduta di tensione diretta è maggiore dell'ideale r-p transizione. Ciò è dovuto alla caduta di tensione attraverso gli strati semiconduttori. R e P genere. Inoltre, nei diodi reali uno degli strati R o P ha una maggiore concentrazione di vettori principali rispetto all'altro. Uno strato con un'alta concentrazione di portatori maggioritari è chiamato emettitore; ha una resistenza trascurabile. Uno strato con una concentrazione inferiore di portatori maggioritari è chiamato base. Ha parecchia resistenza.

L'aumento della caduta di tensione diretta si verifica a causa della caduta di tensione attraverso la resistenza di base.

Per calcolare i circuiti elettronici contenenti diodi a semiconduttore, diventa necessario rappresentarli sotto forma di circuiti equivalenti. Il circuito equivalente di un diodo a semiconduttore con un'approssimazione lineare a tratti del suo CVC è mostrato in Fig. 1.7. La Figura 1.8 mostra i circuiti equivalenti che utilizzano le caratteristiche I–V di un diodo ideale e le caratteristiche I–V di un ideale pag transizione ( r dè la resistenza del diodo, rè la resistenza di dispersione del diodo).

Fig.1.7. Approssimazione della caratteristica corrente-tensione di un diodo

segmenti lineari

Fig.1.8. Sostituzione dei diodi utilizzando le caratteristiche IV

diodo ideale (a) e ideale CVC pag transizione (b)

Il funzionamento di un diodo in un circuito con un carico. Considera il circuito più semplice con un diodo e un resistore e l'azione di una tensione bipolare al suo ingresso (Fig. 1.9). Lo schema di distribuzione della tensione sugli elementi del circuito è determinato dalla posizione delle linee di carico (Fig. 1.10) - sul grafico del CVC del diodo, due punti sono tracciati lungo l'asse della tensione in entrambe le direzioni, determinati da +Ehm e –Um tensione di alimentazione, che corrisponde alla tensione ai capi del diodo con un carico in corto R n, e le correnti si depositano sull'asse di corrente in entrambe le direzioni Um / R n e - Um / R n, che corrisponde a un diodo in cortocircuito. Questi due punti sono collegati a coppie da linee rette, che prendono il nome di carico. Intersezioni delle linee di carico R n nel primo e nel terzo quadrante con rami

Corrispondono le caratteristiche I–V del diodo per ciascuna fase della tensione di alimentazione

Riso. 1.9. Circuito con diodo e Fig. 1.10. Diodo CVC con carico

carico diretto

le loro identiche correnti (necessari quando sono collegati in serie) e determinano la posizione dei punti di lavoro.

semionda positiva U>0, U=Uhm.

Questa polarità è diretta per un diodo. La corrente e la tensione soddisferanno sempre la caratteristica corrente-tensione:

,

Inoltre:

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

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

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

con collegamento diretto U m >> U pr(Fig. 1.10).

In applicazione pratica U pr>0 (U pr- tensione diretta) quando il diodo è aperto. Quando il diodo funziona nella direzione in avanti, la tensione ai suoi capi è minima - ( ge-0,4 V; si-0,7 V), e può essere considerato approssimativamente uguale a zero. La corrente sarà quindi massima.

Fig.1.11. Segnali di tensione e corrente in un circuito a diodi con un carico

.

semionda negativa u<0, U= -U m .

La caratteristica del diodo è la stessa, ma

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

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

U d =0, io d =U m /R H ; UH<

Capacità r-p transizione. Quando acceso r-p transizione nella direzione opposta, nonché a piccole tensioni dirette nella regione r-p transizione c'è un doppio strato elettrico: in R aree - negativo, in P aree - positivo.

L'accumulo di una carica non compensata in questo strato porta alla comparsa di una capacità r-p transizione, che è chiamata capacità di barriera. Caratterizza la variazione della carica accumulata con una variazione della tensione esterna secondo la Fig. 1.12. C b \u003d dQ / dU .

Riso. 1.12. Dipendenza dalla capacità della barriera

dalla tensione inversa.

La capacità della barriera dipende dalle dimensioni geometriche r-p transizione. Con l'aumento U arr larghezza r-p la transizione aumenta e la capacità diminuisce.

Quando il diodo viene acceso in avanti, la capacità della barriera praticamente scompare e nello strato di base del diodo si accumulano portatori di minoranza trasferiti dall'emettitore. Questo accumulo di carica crea anche un effetto di capacità, chiamato capacità di diffusione. CD di solito supera C b.

La capacità di diffusione è determinata C d \u003d dQ d / dU.

Queste capacità influenzano il funzionamento dei diodi alle alte frequenze. Capacità r-p la transizione è inclusa nel circuito equivalente (Fig. 1.13).

Riso. 1.13. Circuiti equivalenti a diodi tenendo conto delle capacità:

a – capacità di barriera; b - capacità di diffusione

Processi transitori nei diodi. Quando i diodi funzionano con segnali ad alta frequenza (1-10 MHz), il processo di transizione da uno stato non conduttivo a uno stato conduttivo e viceversa non avviene istantaneamente a causa della presenza di capacità nella transizione, a causa dell'accumulo di cariche nella base del diodo.

La Figura 1.14 mostra i diagrammi di temporizzazione delle variazioni di corrente attraverso il diodo e il carico con impulsi rettangolari della tensione di alimentazione. Le capacità nel circuito del diodo distorcono i fronti di salita e di discesa degli impulsi, provocando la comparsa del tempo di assorbimento tp.

Quando si sceglie un diodo per un particolare circuito, è necessario tenere conto delle sue proprietà di frequenza e velocità.

Riso. 1.14. Processi transitori a

diodo di commutazione:

t f1- la durata del bordo d'attacco della transizione;

t f2- la durata del bordo di uscita;

tp- tempo di scioglimento.

Guasto r-p transizione. La tensione inversa del diodo non può aumentare a un valore arbitrariamente grande. Ad una certa tensione inversa, caratteristica di ogni tipo di diodo, si verifica un forte aumento della corrente inversa. Questo effetto è chiamato rottura della transizione. Esistono diversi tipi di ripartizione (Fig. 1.15):

1 - rottura della valanga, quando si verifica un aumento della corrente inversa a causa della moltiplicazione delle valanghe di vettori non principali;

Riso. 1.15. CVC per vari tipi di guasto

Rottura a 2 tunnel, quando si verifica il superamento della barriera potenziale e dello strato di blocco per effetto tunnel.

Durante i guasti da valanga e tunnel, la corrente inversa aumenta a una tensione inversa costante.

Questi sono guasti elettrici. Sono reversibili. Dopo la rimozione U arr il diodo recupera le sue proprietà.

3- rottura termica, si verifica quando la quantità di calore rilasciata all'interno r-p giunzione, più calore viene ceduto dalla superficie del diodo all'ambiente. Tuttavia, con l'aumento della temperatura r-p transizione, aumenta la concentrazione di portatori di minoranza, il che porta ad un aumento ancora maggiore della corrente inversa, che, a sua volta, porta ad un aumento della temperatura, ecc. Poiché per i diodi realizzati a base di germanio, io arr più che per i diodi a base di silicio, quindi per i primi la probabilità di rottura termica è maggiore che per i secondi. Pertanto, la temperatura massima di esercizio per i diodi al silicio è superiore (150 o ... 200 o C) rispetto a quelli al germanio (75 o ... 90 o C).

Con questa rottura r-p la transizione è distrutta.

Domande di prova.

1. Che cos'è un diodo a semiconduttore? Caratteristica corrente-tensione di un diodo ideale e reale?

2. Quali materiali vengono utilizzati per realizzare i diodi a semiconduttore? Come creare regioni dell'uno o dell'altro tipo di conducibilità in un substrato semiconduttore?

3. Qual è il campo elettrico intrinseco in un cristallo al confine p-n- transizione? Come cambia quando viene applicata una tensione esterna?

4. Cosa spiega l'effetto della conduzione unidirezionale p-n- giunzione in un semiconduttore?

5. Caratteristiche corrente-tensione pag-transizioni per diodi al germanio e silicio al variare della temperatura esterna?

6. Come viene determinata la resistenza differenziale di un diodo?

7. Come sono costruite le caratteristiche corrente-tensione di un diodo con una retta di carico?

8. Spiegare il meccanismo di formazione della barriera e le capacità di diffusione del diodo? In che modo influenzano il funzionamento del diodo nei circuiti CA?

Lezione 2 Tipi speciali

I semiconduttori sono sostanze che occupano una posizione intermedia tra conduttori e isolanti nelle loro proprietà elettricamente conduttive.
Nei semiconduttori, come nei metalli, la corrente è un movimento ordinato di particelle cariche.
Tuttavia, insieme al movimento delle cariche negative (elettroni) nei semiconduttori, c'è un movimento ordinato di cariche positive, il cosiddetto. - buchi.

buchi ottenuto con la partecipazione ioni sostanze semiconduttrici - atomi con elettroni in fuga. In realtà, gli atomi ionizzati non lasciano il loro posto nel reticolo cristallino. In effetti, c'è un cambiamento graduale nello stato degli atomi della materia, quando gli elettroni saltano da un atomo all'altro. C'è un processo che esternamente sembra un movimento ordinato di alcune particelle cariche positivamente condizionate - buchi.

In un normale semiconduttore puro, il rapporto buchi ed elettrodi liberi 50%:50%.
Ma vale la pena aggiungere una piccola quantità di sostanza - impurità al semiconduttore, poiché questo rapporto subisce cambiamenti significativi. A seconda delle caratteristiche della sostanza aggiunta, il semiconduttore acquisisce una conduttività elettronica pronunciata (tipo n) o i fori (tipo p) diventano i suoi principali vettori.

Giunzione a semiconduttore (p-n) si forma alla giunzione di due frammenti di un materiale semiconduttore avente conducibilità differente. È una regione estremamente sottile impoverita di entrambi i tipi di portatori. La giunzione p-n ha poca resistenza quando la direzione della corrente è in avanti e una resistenza molto grande quando la direzione della corrente è inversa.

Un diodo a semiconduttore convenzionale è costituito da un'unica giunzione a semiconduttore dotata di due terminali - anodo(elettrodo positivo) e catodo- elettrodo negativo. Di conseguenza, il diodo ha la proprietà conduzione unilaterale- conduce bene la corrente nella direzione in avanti e male nella direzione opposta.

Cosa significa in pratica?
Immagina un circuito elettrico costituito da una batteria e una lampadina a incandescenza collegate in serie tramite un diodo a semiconduttore. La lampada si accenderà solo se anodo(elettrodo positivo) è collegato al positivo della fonte di alimentazione (batteria) e catodo(elettrodo negativo) al meno - attraverso il filamento della lampadina.

Questa è l'inclusione diretta di un diodo a semiconduttore. Se si inverte la polarità dell'alimentazione, il diodo si accenderà al contrario: la luce non si accenderà. Prestare attenzione a come appare la designazione di un diodo a semiconduttore sul diagramma - una freccia triangolare che indica la connessione diretta coincide con la direzione della corrente generalmente accettata nell'ingegneria elettrica - dal più della fonte di alimentazione al meno. Il trattino verticale adiacente ad esso simboleggia un ostacolo al movimento della corrente nella direzione opposta.

C'è un prerequisito per il normale funzionamento di qualsiasi diodo a semiconduttore. La tensione di alimentazione deve superare una certa soglia (il valore del potenziale di polarizzazione interna giunzione p-n). Per i diodi raddrizzatori, di solito è inferiore a 1 volt, per i diodi ad alta frequenza al germanio è di circa 0,1 volt, per i LED può superare i 3 volt. Questa proprietà dei diodi a semiconduttore può essere utilizzata per creare alimentatori stabilizzati a bassa tensione.

Se si ricollega il diodo e si aumenta gradualmente la tensione della fonte di alimentazione, a un certo punto si verificherà sicuramente un'interruzione elettrica inversa della giunzione p-n. Il diodo inizierà a far passare la corrente nella direzione opposta e la giunzione sarà danneggiata. Il valore della tensione inversa massima consentita (Ureverse) varia ampiamente per i diversi tipi di diodi a semiconduttore ed è un parametro molto importante.

Il secondo parametro, non meno importante, può essere chiamato il valore limite della corrente diretta-Upr. Questo parametro dipende direttamente dall'entità della caduta di tensione alla giunzione del diodo a semiconduttore, dal materiale del semiconduttore e dalle caratteristiche di trasferimento del calore della custodia.

L'uso di qualsiasi materiale presente in questa pagina è consentito se è presente un collegamento al sito

Dipende fortemente dalla concentrazione delle impurità. I semiconduttori le cui proprietà elettrofisiche dipendono dalle impurità di altri elementi chimici sono chiamati semiconduttori di impurità. Esistono due tipi di impurità, donatore e accettore.

Donatore viene chiamata un'impurità, i cui atomi danno elettroni liberi al semiconduttore, e la conducibilità elettrica ottenuta in questo caso, associata al movimento degli elettroni liberi, è elettronico. Un semiconduttore con conduttività elettronica è chiamato semiconduttore elettronico ed è convenzionalmente indicato dalla lettera latina n - la prima lettera della parola "negativo".

Consideriamo il processo di formazione della conducibilità elettronica in un semiconduttore. Prendiamo il silicio come materiale semiconduttore principale (i semiconduttori di silicio sono i più comuni). Il silicio (Si) ha quattro elettroni nell'orbita esterna dell'atomo, che ne determinano le proprietà elettrofisiche (cioè si muovono sotto l'influenza della tensione per creare una corrente elettrica). Quando gli atomi di impurità di arsenico (As) vengono introdotti nel silicio, che ha cinque elettroni nell'orbita esterna, quattro elettroni interagiscono con quattro elettroni di silicio, formando un legame covalente, e il quinto elettrone di arsenico rimane libero. In queste condizioni, si separa facilmente dall'atomo e ha l'opportunità di muoversi nella sostanza.

accettore Un'impurità è chiamata impurità, i cui atomi accettano elettroni dagli atomi del semiconduttore principale. La conducibilità elettrica risultante, associata al movimento di cariche positive - buchi, è chiamata buco. Un semiconduttore con conduttività elettrica del foro è chiamato semiconduttore del foro ed è convenzionalmente indicato dalla lettera latina p - la prima lettera della parola "positivo".

Consideriamo il processo di formazione della conducibilità del foro. quando gli atomi di impurità di indio (In) vengono introdotti nel silicio, che ha tre elettroni nell'orbita esterna, si legano con tre elettroni di silicio, ma questo legame è incompleto: manca un altro elettrone per legarsi con il quarto elettrone di silicio. L'atomo di impurità attacca l'elettrone mancante da uno degli atomi vicini del semiconduttore principale, dopodiché si lega a tutti e quattro gli atomi vicini. A causa dell'aggiunta di un elettrone, acquisisce una carica negativa in eccesso, cioè si trasforma in uno ione negativo. Allo stesso tempo, un atomo semiconduttore, da cui il quarto elettrone rimasto per l'atomo di impurità, risulta essere collegato con gli atomi vicini solo da tre elettroni. quindi, c'è un eccesso di carica positiva e appare un legame non riempito, cioè buco.

Una delle proprietà importanti di un semiconduttore è che in presenza di buchi, una corrente può attraversarlo, anche se non ci sono elettroni liberi al suo interno. Ciò è dovuto alla capacità dei buchi di spostarsi da un atomo semiconduttore all'altro.

Spostare "buchi" in un semiconduttore

Introducendo un'impurità donatrice in una parte di un semiconduttore e un'impurità accettore in un'altra parte, è possibile ottenere regioni con conducibilità di elettroni e lacune in esso. Una cosiddetta transizione elettrone-lacuna si forma al confine tra le regioni di conduzione elettronica e lacuna.

Giunzione P-N

Considera i processi che si verificano quando la corrente passa transizione elettrone-lacuna. Lo strato sinistro, etichettato n, è elettronicamente conduttivo. La corrente al suo interno è associata al movimento degli elettroni liberi, che sono convenzionalmente indicati da cerchi con un segno meno. Lo strato destro, indicato dalla lettera p, ha conducibilità del foro. La corrente in questo strato è associata al movimento dei fori, che sono indicati da cerchi con un "più" nella figura.

Moto di elettroni e lacune nel modo di conduzione diretta

Movimento di elettroni e lacune nel regime di conduzione inversa.

Quando i semiconduttori con diversi tipi di conducibilità entrano in contatto, gli elettroni causano diffusione comincerà a spostarsi nella regione p e nei buchi - nella regione n, a seguito della quale lo strato limite della regione n viene caricato positivamente e lo strato limite della regione p viene caricato negativamente. Tra le regioni si forma un campo elettrico, che è, per così dire, barriere per i principali portatori di corrente, a causa del quale si forma una regione con una concentrazione di carica ridotta nella giunzione p-n. Il campo elettrico nella giunzione pn è chiamato barriera potenziale e la giunzione pn è chiamata strato bloccante. Se la direzione del campo elettrico esterno è opposta alla direzione del campo della giunzione p-n ("+" nella regione p, "-" nella regione n), allora la barriera potenziale diminuisce, la concentrazione di cariche nella giunzione p-n aumenta la larghezza e, quindi, la resistenza di transizione diminuisce. Quando si cambia la polarità della sorgente, il campo elettrico esterno coincide con la direzione del campo della giunzione p-n, l'ampiezza e la resistenza della giunzione aumentano. Pertanto, la giunzione p-n ha proprietà valvolari.

diodo a semiconduttore

diodo chiamato dispositivo a semiconduttore a conversione elettrica con una o più giunzioni p-n e due conduttori. A seconda dello scopo principale e del fenomeno utilizzato nella giunzione p-n, esistono diversi tipi funzionali principali di diodi a semiconduttore: raddrizzatore, alta frequenza, impulso, tunnel, diodi zener, varicap.

Di base caratteristiche dei diodi a semiconduttoreè la caratteristica corrente-tensione (VAC). Per ogni tipo di diodo a semiconduttore, la caratteristica I–V ha una forma diversa, ma sono tutte basate sulla caratteristica I–V di un diodo raddrizzatore a giunzione, che ha la forma:

Caratteristica corrente-tensione (CVC) del diodo: 1 - caratteristica corrente-tensione continua; 2 - caratteristica corrente-tensione inversa; 3 - area di guasto; 4 - approssimazione rettilinea della caratteristica corrente-tensione continua; Upor è la tensione di soglia; rdyn è la resistenza dinamica; Uprob - tensione di rottura

La scala lungo l'asse y per i valori negativi delle correnti viene scelta molte volte più grande rispetto a quelli positivi.

Le caratteristiche di corrente-tensione dei diodi passano per zero, ma solo quando appare una corrente sufficientemente evidente soglia di voltaggio(U quindi), che per i diodi al germanio è 0,1 - 0,2 V, e per i diodi al silicio è 0,5 - 0,6 V. Nella regione dei valori di tensione negativi sul diodo, a tensioni già relativamente basse (U arr. ) si verifica corrente inversa(Io arr). Questa corrente è creata da portatori minoritari: elettroni della regione p e lacune della regione n, il cui passaggio da una regione all'altra è facilitato da una potenziale barriera vicino all'interfaccia. Con un aumento della tensione inversa, non si verifica un aumento della corrente, poiché il numero di portanti di minoranza che compaiono al confine di transizione per unità di tempo non dipende dalla tensione applicata dall'esterno, se non è molto grande. La corrente inversa per i diodi al silicio è di diversi ordini di grandezza inferiore rispetto a quelli al germanio. Ulteriore aumento della tensione inversa a calo di tensione(campioni U) porta al fatto che gli elettroni dalla banda di valenza passano nella banda di conduzione, c'è effetto zener. In questo caso, la corrente inversa aumenta bruscamente, il che provoca il riscaldamento del diodo e un ulteriore aumento della corrente porta alla rottura termica e alla distruzione della giunzione p-n.

Designazione e definizione dei principali parametri elettrici dei diodi

Designazione del diodo a semiconduttore

Come accennato in precedenza, il diodo conduce corrente in una direzione (cioè, idealmente, è solo un conduttore a bassa resistenza), nell'altra direzione no (cioè, si trasforma in un conduttore con resistenza molto alta), in una parola , esso ha conduzione unilaterale. Di conseguenza, ha solo due conclusioni. Sono chiamati, come è consuetudine sin dai tempi della tecnologia delle lampade anodo(conclusione positiva) e catodo(negativo).

Tutti i diodi a semiconduttore possono essere divisi in due gruppi: raddrizzatori e speciali. Diodi raddrizzatori, come suggerisce il nome, sono progettati per rettificare la corrente alternata. A seconda della frequenza e della forma della tensione alternata, sono divisi in alta frequenza, bassa frequenza e impulso. Speciale tipi di diodi a semiconduttore usano diversi proprietà p-n-transizioni; fenomeno di rottura, capacità di barriera, presenza di zone a resistenza negativa, ecc.

Diodi raddrizzatori

Strutturalmente, i diodi raddrizzatori sono divisi in planari e puntuali e, secondo la tecnologia di produzione, in lega, diffusione ed epitassiale. Per la rettifica vengono utilizzati diodi planari, a causa dell'ampia area della giunzione p-n correnti elevate. I diodi puntiformi hanno una piccola area di giunzione e, di conseguenza, sono progettati per la rettifica piccole correnti. Per aumentare la tensione di rottura della valanga, vengono utilizzati i poli raddrizzatori, costituiti da una serie di diodi collegati in serie.

Vengono chiamati diodi raddrizzatori ad alta potenza potenza. Il materiale per tali diodi è solitamente silicio o arseniuro di gallio. I diodi in lega di silicio vengono utilizzati per rettificare la corrente alternata con una frequenza fino a 5 kHz. I diodi a diffusione di silicio possono funzionare a frequenze più elevate, fino a 100 kHz. I diodi epitassiali al silicio con un substrato metallico (con una barriera Schottky) possono essere utilizzati a frequenze fino a 500 kHz. I diodi all'arseniuro di gallio sono in grado di funzionare nella gamma di frequenza fino a diversi MHz.

I diodi di potenza sono generalmente caratterizzati da un insieme di parametri statici e dinamici. Per parametri statici i diodi includono:

• caduta di tensione U CR sul diodo ad un certo valore di corrente continua;
• corrente inversa arrivo ad un certo valore della tensione inversa;
• significare corrente continua io cf. ;
• impulsivo Tensione inversa U arr. ;

Per parametri dinamici diodo sono le sue caratteristiche di tempo e frequenza. Queste opzioni includono:

• i tempi di recupero t tensione inversa;
• ora di alzarsi corrente continua esco. ;
• frequenza limite senza ridurre i modi del diodo f max .

I parametri statici possono essere impostati in base alla caratteristica corrente-tensione del diodo.

Il tempo di recupero inverso del diodo t è il parametro principale dei diodi raddrizzatori, che ne caratterizza le proprietà inerziali. Viene determinato commutando il diodo da una data corrente diretta I CR a una data tensione inversa U arr. Durante la commutazione, la tensione ai capi del diodo acquisisce il valore opposto. A causa dell'inerzia del processo di diffusione, la corrente nel diodo non si ferma all'istante, ma nel tempo t nar. In sostanza, c'è un riassorbimento di cariche al confine della giunzione p-n (cioè una scarica di capacità equivalente). Ne consegue che le perdite di potenza nel diodo aumentano notevolmente all'accensione, soprattutto quando è spento. Di conseguenza, perdite nel diodo aumentare con l'aumentare della frequenza della tensione raddrizzata.

Quando la temperatura del diodo cambia, i suoi parametri cambiano. La tensione diretta sul diodo e la sua corrente inversa dipendono fortemente dalla temperatura. Approssimativamente, possiamo supporre che TKN (coefficiente di temperatura della tensione) Upr \u003d -2 mV / K e la corrente inversa del diodo abbia un coefficiente positivo. Quindi, con un aumento della temperatura ogni 10 ° C, la corrente inversa dei diodi al germanio aumenta di 2 volte e il silicio - 2,5 volte.

Diodi con barriera Schottky

Per la rettifica di piccole tensioni ad alta frequenza sono ampiamente utilizzati diodi a barriera Schottky. In questi diodi, invece di una giunzione p-n, viene utilizzata una superficie di contatto metallica con. Nel punto di contatto compaiono strati semiconduttori impoveriti in portatori di carica, che sono chiamati strati di spegnimento. I diodi con una barriera Schottky differiscono dai diodi con una giunzione p-n nei seguenti modi:

• Di più basso dritto caduta di tensione;
• avere di più rovescio basso voltaggio;
• Di più alta corrente perdite;
• quasi nessun addebito recupero inverso.

Due caratteristiche principali rendono questi diodi indispensabili: bassa caduta di tensione diretta e rapido tempo di ripristino della tensione inversa. Inoltre, l'assenza di supporti minori che richiedono tempi di ripristino significa fisico nessuna perdita per commutare il diodo stesso.

La tensione massima dei moderni diodi Schottky è di circa 1200 V. A questa tensione, la tensione diretta del diodo Schottky è inferiore alla tensione diretta dei diodi con una giunzione p-n di 0,2 ... 0,3 V.

I vantaggi del diodo Schottky diventano particolarmente evidenti durante la rettifica di basse tensioni. Ad esempio, un diodo Schottky da 45 volt ha una tensione diretta di 0,4 ... 0,6 V e, alla stessa corrente, un diodo a giunzione p ha una caduta di tensione di 0,5 ... 1,0 V. Quando la tensione inversa scende a 15 V, la tensione diretta diminuisce a 0,3 ... 0,4 V. In media, l'uso di diodi Schottky nel raddrizzatore consente di ridurre le perdite di circa il 10 ... 15%. La frequenza operativa massima dei diodi Schottky supera i 200 kHz.

La teoria è buona, ma la teoria senza la pratica sta solo scuotendo l'aria.

Ti consigliamo di leggere

• Clamidia urogenitale - descrizione, cause, sintomi (segni), diagnosi, trattamento Trattamento della clamidia urogenitale
• I benefici e il significato dell'idroaminoacido treonina per il corpo umano L treonina cosa
• Aspettare o non aspettare un ragazzo dell'esercito Per quale motivo possono essere commissionati all'esercito
• Mele al forno con ricotta Mele al forno con ricotta