D jod- den enkleste enheten i den strålende familien av halvlederenheter. Hvis vi tar en halvlederplate, for eksempel germanium, og introduserer en akseptorurenhet i dens venstre halvdel, og i den høyre giveren, så får vi på den ene siden en halvleder av henholdsvis type P, på den andre, type N I midten av krystallen får vi den såkalte P-N overgang som vist i figur 1.
Den samme figuren viser den betingede grafiske betegnelsen til dioden i diagrammene: utgangen fra katoden (negativ elektrode) er veldig lik tegnet "-". Det er lettere å huske på den måten.
Totalt i en slik krystall er det to soner med forskjellig ledningsevne, hvorfra to konklusjoner kommer ut, derfor kalles den resulterende enheten diode fordi prefikset "di" betyr to.
I dette tilfellet viste dioden seg å være halvleder, men lignende enheter var kjent før: for eksempel i tiden elektroniske rør det var en rørdiode kalt en kenotron. Nå har slike dioder gått over i historien, selv om tilhengere av "rør"-lyden mener at til og med anodespenningslikeretteren i en rørforsterker burde være en rør!
Figur 1. Strukturen til dioden og betegnelsen på dioden i diagrammet
I krysset mellom halvledere og P- og N-ledningsevner, viser det seg P-N-kryss (P-N-kryss), som er grunnlaget for alle halvlederenheter. Men i motsetning til en diode, som bare har ett kryss, har de to P-N-kryss, og for eksempel består de av fire veikryss samtidig.
P-N-kryss i hvile
Selv om PN-krysset, i dette tilfellet dioden, ikke er koblet til noe sted, skjer det fortsatt interessante fysiske prosesser inne i det, som er vist i figur 2.
Figur 2. Diode i hvile
I N-regionen er det et overskudd av elektroner, det har en negativ ladning, og i P-området er ladningen positiv. Sammen danner disse kostnadene elektrisk felt. Siden motsatte ladninger har en tendens til å tiltrekke seg, trenger elektroner fra N-sonen inn i den positivt ladede P-sonen og fyller noen hull. Som et resultat av en slik bevegelse inne i halvlederen, oppstår det fortsatt en strøm, selv om den er veldig liten (enheter på nanoampere).
Som et resultat av en slik bevegelse øker tettheten av materie på P-siden, men opp til en viss grense. Partikler har vanligvis en tendens til å spre seg jevnt over hele volumet av stoffet, akkurat som lukten av parfyme sprer seg gjennom rommet (diffusjon), så før eller siden går elektronene tilbake til N-sonen.
Hvis for de fleste forbrukere av elektrisitet ikke spiller retningen på strømmen en rolle - lyspæren lyser, flisen varmes opp, så spiller strømretningen for dioden en stor rolle for dioden. Hovedfunksjonen til en diode er å lede strøm i én retning. Det er denne egenskapen som leveres av P-N-krysset.
Slå på dioden i motsatt retning
Hvis du kobler en strømkilde til en halvlederdiode, som vist i figur 3, vil ingen strøm gå gjennom P-N-krysset.
Figur 3. Diode reversert
Som du kan se på figuren, er den positive polen til strømforsyningen koblet til N-området, og den negative polen er koblet til P-området. Som et resultat skynder elektroner fra regionen N seg til den positive polen til kilden. På sin side tiltrekkes positive ladninger (hull) i P-området av den negative polen til strømkilden. Derfor, i P-N områder overgang, som det kan sees på figuren, dannes et tomrom, det er rett og slett ingenting å lede strøm, det er ingen ladningsbærere.
Etter hvert som strømforsyningsspenningen øker, tiltrekkes elektroner og hull mer og mer. elektrisk felt batterier, i området ved P-N-krysset er det stadig færre ladebærere. Derfor, i omvendt forbindelse, flyter ingen strøm gjennom dioden. I slike tilfeller er det vanlig å si det halvlederdiode er låst av reversspenning.
En økning i tettheten av materie nær polene til batteriet fører til diffusjon, - ønsket om en jevn fordeling av stoffet i hele volumet. Hva skjer når batteriet er slått av.
Reverserende halvlederdiode
Det er her tiden er inne for å tilbakekalle de mindre transportørene som ble betinget glemt. Faktum er at selv i lukket tilstand går en liten strøm gjennom dioden, kalt revers. Dette omvendt strøm og er skapt av ikke-primære bærere, som kan bevege seg på nøyaktig samme måte som de primære, bare i motsatt retning. Naturligvis skjer en slik bevegelse med en omvendt spenning. Reversstrømmen er vanligvis liten, på grunn av det lille antallet minoritetsbærere.
Med en økning i krystalltemperaturen øker antallet minoritetsbærere, noe som fører til en økning i reversstrømmen, noe som kan føre til P-N ødeleggelse overgang. Derfor er driftstemperaturer for halvlederenheter - dioder, transistorer, mikrokretser begrenset. For å forhindre overoppheting er kraftige dioder og transistorer installert på kjøleribber - radiatorer.
Slår på dioden i foroverretningen
Vist i figur 4.
Figur 4. Diode direkte tilkobling
La oss nå endre polariteten til kilden: koble minus til N-regionen (katode), og pluss til P-regionen (anode). Med denne inkluderingen i N-regionen vil elektronene bli frastøtt fra batteriets minus, og bevege seg til P-N side overgang. I P-regionen vil positivt ladede hull avvises fra den positive polen på batteriet. Elektroner og hull suser mot hverandre.
Ladede partikler med forskjellig polaritet samles nær P-N-krysset, et elektrisk felt oppstår mellom dem. Derfor overvinner elektronene P-N-krysset og fortsetter å bevege seg gjennom P-sonen. Samtidig rekombinerer noen av dem med hull, men de fleste skynder seg til pluss på batteriet, strømmen Id gikk gjennom dioden.
Denne strømmen kalles likestrøm. Det er begrenset av de tekniske dataene til dioden, en viss maksimal verdi. Hvis denne verdien overskrides, er det fare for diodefeil. Det skal imidlertid bemerkes at retningen til likestrømmen i figuren sammenfaller med den generelt aksepterte, omvendte bevegelsen av elektroner.
Det kan også sies at i direkte retning av å slå på elektrisk motstand dioden er relativt liten. Når den slås på igjen, vil denne motstanden være mange ganger større, det går ingen strøm gjennom halvlederdioden (en liten omvendt strøm er ikke tatt hensyn til her). Fra det foregående kan vi konkludere med at dioden oppfører seg som en konvensjonell mekanisk ventil: snudd i én retning - vannet renner, snudd i den andre - strømmen har stoppet. For denne eiendommen ble dioden navngitt halvlederport.
For å forstå i detalj alle evnene og egenskapene til en halvlederdiode, bør du bli kjent med dens volt - ampere karakteristikk. Det er også en god idé å lære om de forskjellige diodedesignene og frekvensegenskapene, og fordeler og ulemper. Dette vil bli diskutert i neste artikkel.
Det er en annen måte å redusere spenningen på lasten på, men bare for DC-kretser. Se om her.
I stedet for en ekstra motstand brukes en kjede av dioder koblet i serie i foroverretningen.
Hele poenget er at når strømmen flyter gjennom dioden, faller en "foroverspenning" på den, lik, avhengig av type diode, kraften og strømmen som flyter gjennom den, fra 0,5 til 1,2 volt.
På germaniumdioden faller spenningen 0,5 - 0,7 V, på silisiumdioden fra 0,6 til 1,2 volt. Basert på hvor mange volt du trenger for å senke spenningen ved belastningen, slå på passende antall dioder.
For å senke spenningen med 6 V, må du omtrent slå på: 6 V: 1,0 \u003d 6 stykker silisiumdioder, 6 V: 0,6 \u003d 10 stykker germaniumdioder. Silisiumdioder er de mest populære og tilgjengelige.
Ovennevnte krets med dioder er mer tungvint i utførelse enn med en enkel motstand. Men utgangsspenningen, i en krets med dioder, er mer stabil og svakt avhengig av belastningen. Hva er forskjellen mellom disse to metodene for å redusere utgangsspenningen?
I fig 1 - ekstra motstand - motstand (trådmotstand), fig 2 - ekstra motstand - diode.
En motstand (trådmotstand) har et lineært forhold mellom strømmen som går gjennom den og spenningsfallet over den. Hvor mange ganger strømmen øker, vil spenningsfallet over motstanden øke like mye.
Fra eksempel 1: hvis vi kobler en annen parallelt til lyspæren, vil strømmen i kretsen øke, tatt i betraktning den totale motstanden til de to lyspærene opp til 0,66 A. Spenningsfallet over tilleggsmotstanden vil være : 12 Ohm * 0,66 A = 7,92 V Pærene vil forbli: 12 V - 7,92 V = 4,08 V. De vil brenne til gulvet i gløden.
Et helt annet bilde vil være hvis det i stedet for en motstand er en kjede av dioder.
Forholdet mellom strømmen som går gjennom en diode og spenningsfallet over den er ikke-lineært. Strømmen kan øke flere ganger, spenningsfallet over dioden vil øke med bare noen tideler av en volt.
De. jo større strømmen til dioden er, jo mindre (sammenlignet med motstanden) øker motstanden. Spenningsfallet over diodene er lite avhengig av strømmen i kretsen.
Dioder i en slik krets fungerer som en spenningsstabilisator. Dioder må velges i henhold til maksimal strøm i kretsen. Maksimum tillatt strøm dioder må være større enn strømmen i den beregnede kretsen.
Spenningsfallet på noen dioder ved en strøm på 0,5 A er gitt i tabellen. 
I lenker vekselstrøm, som en ekstra motstand, kan du bruke en kondensator, induktans, dinistor eller tyristor (med tillegg av en kontrollkrets).
Halvlederdiode - element elektrisk krets, som har to terminaler og har ensidig elektrisk ledningsevne. Alle halvlederdioder kan deles inn i to grupper: likeretter og spesial. Likeretterdioder, som navnet antyder, er designet for å likerette vekselstrøm. Avhengig av frekvens og form AC spenning de er delt inn i høyfrekvent, lavfrekvent og puls. Spesielle typer halvlederdioder bruker forskjellige egenskaper pn overganger: sammenbruddsfenomen, barrierekapasitans, tilstedeværelsen av seksjoner med negativ motstand, etc.
Strukturelt er likeretterdioder delt inn i plan og punkt, og i henhold til produksjonsteknologi i legering, diffusjon og epitaksial. Plane dioder på grunn av stort areal pn-kryss brukes til å rette opp høye strømmer. Punktdioder har et lite kryssområde og er følgelig designet for å rette opp små strømmer. For å øke skredbruddspenningen brukes likeretterpoler som består av en serie seriekoblede dioder.
Høyeffekt likeretterdioder kalles effektdioder. Materialet for slike dioder er vanligvis silisium eller galliumarsenid. Germanium brukes praktisk talt ikke på grunn av den sterke temperaturavhengigheten til den omvendte strømmen. Silisiumlegeringsdioder brukes til å likerette vekselstrøm opp til 5 kHz. Silisiumdiffusjonsdioder kan operere ved forhøyede frekvenser opp til 100 kHz. Silisiumepitaksiale dioder med metallsubstrat (med Schottky-barriere) kan brukes ved frekvenser opp til 500 kHz. Galliumarseniddioder er i stand til å operere i frekvensområdet opptil flere MHz.
Driften av dioder er basert på bruk av et elektron-hull-kryss - et tynt lag av materiale mellom to områder annen type elektrisk Strømføringsevne - n og s. Hovedegenskapen til denne overgangen er asymmetrisk elektrisk ledningsevne, der krystallen passerer strøm i en retning og ikke passerer i den andre. Innretningen for elektron-hull-overgangen er vist i fig. 1.1, a. En del av den er dopet med en donorurenhet og har elektronisk ledningsevne ( n-region); den andre, dopet med en akseptorurenhet, har hullledningsevne ( s-region). Bærerkonsentrasjonene i regionene varierer sterkt. I tillegg inneholder begge deler en liten konsentrasjon av minoritetsbærere.
Fig.1.1. pn overgang:
a - enhet, b - romladninger
Elektroner inn n- områder har en tendens til å trenge inn i s- område hvor elektronkonsentrasjonen er mye lavere. Likeledes hull i s-områder flyttes til n-region. Som et resultat av den motgående bevegelsen av motsatte ladninger, oppstår en såkalt diffusjonsstrøm. Elektroner og hull, som har gått gjennom grensesnittet, etterlater motsatte ladninger, som forhindrer videre passasje av diffusjonsstrømmen. Som et resultat etableres dynamisk likevekt ved grensen, og ved lukking s- og n- områder ingen strøm flyter i kretsen. Fordelingen av romladningstettheten i overgangen er vist i fig. 1.1, b. I dette tilfellet, inne i krystallen ved grensesnittet er det et eget elektrisk felt E okt. , hvis retning er vist i fig. 1.1, a. Intensiteten er maksimal ved grensesnittet, der det er en brå endring i tegnet til romladningen. Og så er halvlederen nøytral.
Potensiell sperrehøyde ved pn overgang bestemmes av kontaktpotensialforskjellen n- og s-områder, som igjen avhenger av konsentrasjonen av urenheter i dem:
, (1.1)
hvor er det termiske potensialet, N n og Pp er konsentrasjonen av elektroner og hull i n- og s-områder, n i er konsentrasjonen av ladningsbærere i den udopede halvlederen.
Kontaktpotensialforskjellen for germanium er 0,6 ... 0,7 V, og for silisium - 0,9 ... 1,2 V. Høyden på potensialbarrieren kan endres ved å legge en ekstern spenning på pn overgang. Hvis feltet til den eksterne spenningen faller sammen med den interne, øker høyden på den potensielle barrieren; når den påtrykte spenningen reverseres, reduseres barrierehøyden. Hvis den påførte spenningen er lik kontaktpotensialforskjellen, forsvinner potensialbarrieren helt.
Derfor, hvis en ekstern spenning senker potensialbarrieren, kalles den direkte, og hvis den øker, kalles den revers.
Symbolet og strømspenningskarakteristikken (CVC) til en ideell diode er vist i fig. 1.2.
Utgangen som et positivt potensial må påføres kalles anoden, utgangen med negativt potensial kalles katoden (fig. 1.2, a). En ideell diode i ledende retning har null motstand. I den ikke-ledende retningen - en uendelig stor motstand (fig. 1.2, b).
Fig. 1.2 Symbol (a) og CVC
karakteristisk for en ideell diode (b)
i halvledere R-type, hull er hovedbærerne. Elektrisk ledningsevne for hull ble skapt ved å introdusere atomer av en akseptorurenhet. Valensen deres er én mindre enn for halvlederatomer. I dette tilfellet fanger urenhetsatomer halvlederelektroner og lager hull - mobile ladningsbærere.
i halvledere n-type hovedbærerne er elektroner. Elektronisk elektrisk ledningsevne skapes ved å introdusere donorurenhetsatomer. Valensen deres er én mer enn for halvlederatomer. Å danne kovalente bindinger med halvlederatomer bruker ikke urenhetsatomer 1 elektron, som blir fritt. Atomene i seg selv blir ubevegelige positive ioner.
Hvis en spenningskilde er koblet til de eksterne terminalene på dioden i foroverretningen, vil denne spenningskilden skape distrikt elektrisk overgangsfelt rettet mot det indre. Det resulterende feltet vil reduseres. Dette vil starte diffusjonsprosessen. En likestrøm vil flyte i diodekretsen. Jo større verdi av den eksterne spenningen er, jo mindre er verdien av det indre feltet, jo smalere blokkeringssjikt, jo større er verdien av foroverstrømmen. Ved økning i ekstern spenning øker likestrømmen eksponentielt (fig. 1.3). Når en viss verdi av den ytre spenningen er nådd, vil bredden på barrierelaget avta til null. Foroverstrømmen vil kun begrenses av volummotstanden og vil øke lineært når spenningen øker.
Fig.1.3. IV karakteristisk for en ekte diode
I dette tilfellet er spenningsfallet over dioden et foroverspenningsfall. Verdien er liten og avhenger av materialet:
germanium Ge: U pr= (0,3 - 0,4) V;
silisium Si: U pr\u003d (0,6 - 1) V.
Hvis du endrer polariteten til den eksterne spenningen, vil det elektriske feltet til denne kilden falle sammen med det interne. Det resulterende feltet vil øke, bredden på barrierelaget vil øke, og ideelt sett vil ingen strøm flyte i motsatt retning; men siden halvledere ikke er ideelle, og i tillegg til de viktigste mobilbærerne er det et lite antall mindre, som et resultat, oppstår en omvendt strøm. Verdien avhenger av konsentrasjonen av minoritetsbærere og er vanligvis noen få til titalls mikroampere.
Konsentrasjonen av minoritetsbærere er mindre enn konsentrasjonen av større, så omvendt strømmen er liten. Størrelsen på denne strømmen avhenger ikke av størrelsen på reversspenningen. Silisium omvendt strøm er flere størrelsesordener mindre enn for germanium, men silisiumdioder har et høyere spenningsfall fremover. Konsentrasjonen av minoritetsbærere avhenger av temperaturen, og når den øker, øker reversstrømmen, så den kalles den termiske strømmen I o:
I o (T) \u003d I o (T o)e a D T,
DT=T-To; og Ge = 0,09k-1; og Si \u003d 0,13k -1; I oGe >>I oSi . .
Det er en omtrentlig formel
I o (T)=I o (T o)2 T * ,
hvor T *- temperaturøkning, som tilsvarer en dobling av den termiske strømmen,
T*Ge=8...10°C; T*Si=6°C.
Analytisk uttrykk for VAC r-p overgangen ser slik ut:
,
(1.2)
hvor U er den påførte eksterne spenningen.
For en temperatur på 20 ° C φ t = 0,025V.
Med en økning i temperatur på grunn av en økning i den termiske strømmen og en reduksjon i potensialbarrieren, en reduksjon i motstanden til halvlederlagene, skjer et skifte av den direkte grenen til I–V-karakteristikken i området med høye strømmer . Volummotstanden til halvledere avtar n og R. Som et resultat vil foroverspenningsfallet være mindre. Når temperaturen stiger, på grunn av en reduksjon i differansen mellom konsentrasjonene av store og mindre bærere, synker barrierelagets potensielle barriere, noe som også vil føre til en reduksjon i U pr, siden barrierelaget vil forsvinne ved en lavere spenning.
Den samme strømmen vil tilsvare forskjellige fremoverspenninger (fig. 1.4), og danner forskjellen DU,
hvor e- temperaturkoeffisient for spenning.
Hvis strømmen gjennom dioden er konstant, vil spenningsfallet over dioden avta. Med en temperaturøkning med én grad, synker spenningsfallet fremover med 2 mV.
Ris. 1.4. VAC r-p overgang på fig. 1.5. CVC av germanium og
forskjellige temperaturer på silisiumdioder
Når temperaturen stiger, skifter den motsatte grenen av strøm-spenningskarakteristikken ned (fig. 1.4). Driftstemperaturområdet for germaniumdioder er 80 ° C, for silisiumdioder 150 ° C.
IV-karakteristikker til germanium- og silisiumdioder er vist i fig. 1.5.
Differensiell motstand r-p overgang (fig. 1.6):
(1.3)
Med økende strøm r d- minker.
Fig. 1.6 Definisjon av differensial
diode motstand
Motstand likestrøm r-p overgang: .
DC motstand er preget av helningen til den rette linjen trukket fra origo til gitt poeng. Denne motstanden avhenger også av strømmens størrelse: med økende I avtar motstanden . R Ge< R Si .
IV-karakteristikken til en halvlederdiode er noe forskjellig fra IV-karakteristikken til en ideell diode. Så på grunn av strømlekkasje over krystalloverflaten, vil den reelle reversstrømmen være større enn den termiske strømmen. Følgelig er den motsatte motstanden til en ekte diode mindre enn den til en ideell. r-p overgang.
Foroverspenningsfallet er større enn ideelt r-p overgang. Dette skyldes spenningsfallet over halvlederlagene. R og P type. Dessuten, i ekte dioder ett av lagene R eller P har en høyere konsentrasjon av store transportører enn den andre. Et lag med en høy konsentrasjon av majoritetsbærere kalles en emitter; det har ubetydelig motstand. Et lag med en lavere konsentrasjon av majoritetsbærere kalles en base. Den har ganske mye motstand.
Økningen i foroverspenningsfallet oppstår på grunn av spenningsfallet over basismotstanden.
For å beregne elektroniske kretser som inneholder halvlederdioder, blir det nødvendig å representere dem i form av ekvivalente kretser. Den ekvivalente kretsen til en halvlederdiode med en stykkevis lineær tilnærming av dens CVC er vist i fig. 1.7. Figur 1.8 viser ekvivalente kretser som bruker I–V-karakteristikkene til en ideell diode og I–V-karakteristikkene til en ideell pn overgang ( r d er motstanden til dioden, r er lekkasjemotstanden til dioden).
Fig.1.7. Tilnærming av strøm-spenningskarakteristikken til en diode
lineære segmenter
Fig.1.8. Bytte dioder ved hjelp av I-V-karakteristikk
ideell diode (a) og CVC-ideal pn overgang (b)
Driften av en diode i en krets med belastning. Tenk på den enkleste kretsen med en diode og en motstand, og virkningen av en bipolar spenning ved inngangen (fig. 1.9). Mønsteret for spenningsfordeling på kretselementene bestemmes av posisjonen til lastlinjene (fig. 1.10) - på grafen til CVC-en til dioden er to punkter plottet langs spenningsaksen i begge retninger, bestemt av +Ehm og – U m forsyningsspenning, som tilsvarer spenningen over dioden med kortsluttet last R n, og strømmer avsettes på strømaksen i begge retninger U m / R n og - U m / R n, som tilsvarer en kortsluttet diode. Disse to punktene er forbundet i par med rette linjer, som kalles last. Lastelinjekryss R n i første og tredje kvadrant med grener
I–V-karakteristikker til dioden for hver fase av forsyningsspenningen tilsvarer
Ris. 1.9. Krets med diode og fig. 1.10. CVC diode med belastning
direkte belastning
deres identiske strømmer (som er nødvendig når de er koblet i serie) og bestemmer posisjonen til driftspunktene.
positiv halvbølge U>0, U=Um.
Denne polariteten er direkte for en diode. Strøm og spenning vil alltid tilfredsstille strømspenningsegenskapene:
,
Dessuten:
U d \u003d U m - I d R H;
på I d \u003d 0, U d \u003d U m;
på U d \u003d 0, I d \u003d U m / R H;
med direkte tilkobling U m >> U pr(Fig. 1.10).
På praktisk anvendelse U pr>0 (U pr- fremspenning) når dioden er åpen. Når dioden opererer i foroverretningen, er spenningen over den minimal - ( Ge-0,4V; Si-0,7 V), og den kan betraktes som omtrent lik null. Strømmen vil da være maksimal.
Fig.1.11. Spennings- og strømsignaler i en diodekrets med last
.
negativ halvbølge U<0, U= -U m .
Karakteristikken til dioden er den samme, men
U d \u003d -U m -I d R H,;
I d \u003d 0, U d \u003d U m;
Ud=0, Id=Um/RH; U H<
Kapasiteter r-p overgang. Når den er slått på r-p overgang i motsatt retning, samt ved små fremoverspenninger i regionen r-p overgang er det et dobbelt elektrisk lag: in R områder - negativ, i P områder - positive.
Akkumuleringen av en ukompensert ladning i dette laget fører til utseendet til en kapasitans r-p overgang, som kalles barrierekapasitansen. Den karakteriserer endringen i den akkumulerte ladningen med en endring i den eksterne spenningen i henhold til fig. 1.12. C b \u003d dQ / dU .
Ris. 1.12. Barriere kapasitans avhengighet
fra omvendt spenning.
Barrierekapasitans avhenger av geometriske dimensjoner r-p overgang. Med økningen U arr bredde r-p overgangen øker, og kapasitansen avtar.
Når dioden slås på i retning forover, forsvinner barrierekapasitansen praktisk talt, og i basislaget til dioden akkumuleres minoritetsbærere overført fra emitteren. Denne akkumuleringen av ladning skaper også en kapasitanseffekt, som kalles diffusjonskapasitans. C d vanligvis overstiger C b.
Diffusjonskapasitet bestemmes C d \u003d dQ d / dU.
Disse kapasitansene påvirker driften av dioder ved høye frekvenser. Kapasiteter r-p overgangen er inkludert i den ekvivalente kretsen (fig. 1.13).
Ris. 1.13. Diodeekvivalente kretser som tar hensyn til kapasitanser:
a – barriere kapasitans; b - diffusjonskapasitet
Forbigående prosesser i dioder. Når dioder opererer med høyfrekvente signaler (1-10 MHz), skjer ikke overgangsprosessen fra en ikke-ledende tilstand til en ledende tilstand og omvendt på grunn av tilstedeværelsen av kapasitans i overgangen, på grunn av akkumuleringen av ladninger i diodebasen.
Figur 1.14 viser tidsdiagrammene for strømendringer gjennom dioden og belastningen med rektangulære pulser av forsyningsspenningen. Kapasitanser i diodekretsen forvrenger for- og bakkanten til pulsene, noe som får absorpsjonstiden til å vises tp.
Når du velger en diode for en bestemt krets, må dens frekvensegenskaper og hastighet tas i betraktning.
Ris. 1.14. Forbigående prosesser kl
bytte diode:
t f1- varigheten av forkanten av overgangen;
t f2- varigheten av bakkanten;
tp- oppløsningstid.
Sammenbrudd r-p overgang. Reversspenningen til dioden kan ikke øke til en vilkårlig stor verdi. Ved en eller annen reversspenning, karakteristisk for hver type diode, er det en kraftig økning i reversstrømmen. Denne effekten kalles overgangssammenbrudd. Det finnes flere typer sammenbrudd (fig. 1.15):
1 - skredsammenbrudd, når en økning i omvendt strøm oppstår på grunn av skredmultiplikasjon av ikke-hovedbærere;
Ris. 1.15. CVC for ulike typer sammenbrudd
2-tunnel sammenbrudd, når overvinnelsen av den potensielle barrieren og blokkeringslaget skjer på grunn av tunneleffekten.
Ved snøskred og tunnelhavari øker reversstrømmen ved konstant reversspenning.
Dette er elektriske havarier. De er reversible. Etter fjerning U arr dioden gjenoppretter egenskapene sine.
3- termisk sammenbrudd, det oppstår når mengden varme som frigjøres inn r-p koblingen avgis mer varme fra overflaten av dioden til omgivelsene. Men med økende temperatur r-p overgang, øker konsentrasjonen av minoritetsbærere, noe som fører til en enda større økning i omvendt strøm, som igjen fører til en økning i temperatur, etc. Siden for dioder laget på basis av germanium, jeg arr mer enn for silisiumbaserte dioder, så for førstnevnte er sannsynligheten for termisk sammenbrudd høyere enn for sistnevnte. Derfor er den maksimale driftstemperaturen for silisiumdioder høyere (150 o ... 200 o C) enn for germanium (75 o ... 90 o C).
Med dette sammenbruddet r-p overgangen er ødelagt.
Test spørsmål.
1. Hva er en halvlederdiode? Strømspenningskarakteristikk for en ideell og ekte diode?
2. Hvilke materialer brukes til å lage halvlederdioder? Hvordan lage områder med en eller annen type ledningsevne i et halvledersubstrat?
3. Hva er det iboende elektriske feltet i en krystall ved grensen p-n- overgang? Hvordan endres det når en ekstern spenning påføres?
4. Hva forklarer effekten av enveisledning p-n- kobling i en halvleder?
5. Strøm-spenningsegenskaper pn-overganger for germanium og silisiumdioder når ytre temperatur endres?
6. Hvordan bestemmes differensialmotstanden til en diode?
7. Hvordan er strøm-spenningskarakteristikkene til en diode med rett linje konstruert?
8. Forklar mekanismen for dannelse av barrieren og diffusjonskapasitansene til dioden? Hvordan påvirker de driften av dioden i AC-kretser?
Forelesning 2 Spesielle typer
Halvledere er stoffer som inntar en mellomposisjon mellom ledere og isolatorer i deres elektrisk ledende egenskaper.
I halvledere, som i metaller, er strøm en ordnet bevegelse av ladede partikler.
Men sammen med bevegelsen av negative ladninger (elektroner) i halvledere, er det en ordnet bevegelse av positive ladninger, den såkalte. - hull.
hull oppnådd med deltakelsen ioner halvlederstoffer - atomer med løpende elektroner. I virkeligheten forlater ikke ioniserte atomer sin plass i krystallgitteret. Faktisk er det en gradvis endring i tilstanden til materiens atomer, når elektroner hopper fra ett atom til et annet. Det er en prosess som utad ser ut som en ordnet bevegelse av noen betingede positivt ladede partikler - hull.
I en vanlig, ren halvleder er forholdet hull og frie elektroder 50%:50%.
Men det er verdt å legge til en liten mengde stoff - urenheter til halvlederen, da dette forholdet gjennomgår betydelige endringer. Avhengig av egenskapene til det tilsatte stoffet, får halvlederen enten en uttalt elektronisk ledningsevne (n-type), eller hull (p-type) blir dens hovedbærere.
Halvlederforbindelse (p-n) dannes ved krysset mellom to fragmenter av et halvledermateriale med forskjellig ledningsevne. Det er en ekstremt tynn region som er utarmet for begge typer bærere. P-n-krysset har liten motstand når strømretningen er forover, og veldig stor motstand når strømretningen er revers.
En konvensjonell halvlederdiode består av en enkelt halvlederforbindelse utstyrt med to terminaler - anode(positiv elektrode) og katode- negativ elektrode. Følgelig har dioden egenskapen ensidig ledning- den leder strømmen godt fremover og dårlig i motsatt retning.
Hva betyr dette i praksis?
Se for deg en elektrisk krets som består av et batteri og en glødepære koblet i serie gjennom en halvlederdiode. Lampen vil kun lyse hvis anode(positiv elektrode) kobles til pluss av strømkilden (batteri) og katode(negativ elektrode) til minus - gjennom glødetråden til lyspæren.
Dette er den direkte inkluderingen av en halvlederdiode. Hvis du snur polariteten til strømforsyningen, vil dioden slå seg på i revers - lyset vil ikke lyse. Vær oppmerksom på hvordan betegnelsen på en halvlederdiode ser ut på diagrammet - en trekantet pil som indikerer direkte forbindelse faller sammen med strømretningen som er generelt akseptert i elektroteknikk - fra pluss av strømkilden til minus. Den vertikale streken ved siden av den symboliserer en hindring for strømbevegelse i motsatt retning.
Det er én forutsetning for normal drift av enhver halvlederdiode. Strømforsyningsspenningen må overstige en viss terskel (verdien av det interne forspenningspotensialet p-n-kryss). For likeretterdioder er det vanligvis mindre enn 1 volt, for germanium høyfrekvente dioder er det omtrent 0,1 volt, for lysdioder kan det overstige 3 volt. Denne egenskapen til halvlederdioder kan brukes til å lage lavspenningsstabiliserte strømforsyninger.
Hvis du kobler dioden tilbake og gradvis øker spenningen til strømkilden, vil på et tidspunkt definitivt oppstå en omvendt elektrisk sammenbrudd av p-n-krysset. Dioden vil begynne å sende strøm i motsatt retning, og krysset vil bli skadet. Verdien av maksimalt tillatt reversspenning (Ureverse) varierer mye for ulike typer halvlederdioder og er en svært viktig parameter.
Den andre, ikke mindre viktige parameteren, kan kalles grenseverdien til fremstrøm-Upr. Denne parameteren avhenger direkte av størrelsen på spenningsfallet ved krysset mellom halvlederdioden, materialet til halvlederen og varmeoverføringsegenskapene til saken.
Bruk av materiale på denne siden er tillatt hvis det er en lenke til nettstedet
Det avhenger sterkt av konsentrasjonen av urenheter. Halvledere hvis elektrofysiske egenskaper avhenger av urenheter fra andre kjemiske elementer kalles urenhetshalvledere. Det er to typer urenheter, donor og akseptor.
Donor en urenhet kalles, hvis atomer gir halvlederen frie elektroner, og den elektriske ledningsevnen oppnådd i dette tilfellet, assosiert med bevegelsen av frie elektroner, er elektronisk. En halvleder med elektronisk ledningsevne kalles en elektronisk halvleder og er konvensjonelt betegnet med den latinske bokstaven n - den første bokstaven i ordet "negativ".
La oss vurdere prosessen med dannelse av elektronisk ledningsevne i en halvleder. Vi tar silisium som hovedhalvledermateriale (silisiumhalvledere er de vanligste). Silisium (Si) har fire elektroner i atomets ytre bane, som bestemmer dets elektrofysiske egenskaper (det vil si at de beveger seg under påvirkning av spenning for å skape en elektrisk strøm). Når arsen (As) urenhetsatomer introduseres i silisium, som har fem elektroner i den ytre bane, samhandler fire elektroner med fire elektroner av silisium, og danner en kovalent binding, og det femte elektronet av arsen forblir fritt. Under disse forholdene skiller den seg lett fra atomet og får mulighet til å bevege seg i stoffet.
akseptor En urenhet kalles en urenhet hvis atomer aksepterer elektroner fra atomene til hovedhalvlederen. Den resulterende elektriske ledningsevnen, assosiert med bevegelsen av positive ladninger - hull, kalles hull. En halvleder med hull elektrisk ledningsevne kalles en hullhalvleder og er konvensjonelt betegnet med den latinske bokstaven p - den første bokstaven i ordet "positiv".
La oss vurdere prosessen med dannelse av hullledningsevne. når indium (In)-urenhetsatomer introduseres i silisium, som har tre elektroner i den ytre bane, binder de seg til tre elektroner av silisium, men denne bindingen viser seg å være ufullstendig: ett elektron til mangler for å binde seg til det fjerde elektronet av silisium. Urenhetsatomet fester det manglende elektronet fra et av de nærliggende atomene i hovedhalvlederen, hvoretter det blir bundet til alle de fire naboatomene. På grunn av tilsetningen av et elektron, får det en overflødig negativ ladning, det vil si at det blir til et negativt ion. Samtidig viser halvlederatomet, som det fjerde elektronet forlot for urenhetsatomet, å være forbundet med naboatomer med bare tre elektroner. dermed er det et overskudd av positiv ladning og en ufylt binding vises, det vil si hull.
En av de viktige egenskapene til en halvleder er at i nærvær av hull kan en strøm passere gjennom den, selv om det ikke er frie elektroner i den. Dette skyldes hulls evne til å bevege seg fra ett halvlederatom til et annet.
Flytte "hull" i en halvleder
Ved å introdusere en donorurenhet i en del av en halvleder og en akseptorurenhet i en annen del, er det mulig å oppnå områder med elektron- og hullledningsevne. En såkalt elektron-hull-overgang dannes ved grensen mellom områdene elektronisk og hullledning.
P-N-kryss
Tenk på prosessene som oppstår når strømmen går gjennom elektron-hull overgang. Det venstre laget, merket n, er elektronisk ledende. Strømmen i den er assosiert med bevegelsen av frie elektroner, som konvensjonelt er indikert med sirkler med et minustegn. Det høyre laget, betegnet med bokstaven p, har hullledningsevne. Strømmen i dette laget er assosiert med bevegelsen av hull, som er indikert med sirkler med et "pluss" i figuren.
Bevegelse av elektroner og hull i direkte ledningsmodus
Bevegelse av elektroner og hull i omvendt ledningsregime.
Når halvledere med ulike typer ledningsevne kommer i kontakt, elektroner pga diffusjon vil begynne å bevege seg til p-regionen, og hull - til n-regionen, som et resultat av at grenselaget til n-regionen lades positivt, og grenselaget til p-regionen er negativt ladet. Det oppstår et elektrisk felt mellom områdene, som så å si er barrierer for hovedstrømbærerne, på grunn av at det dannes et område med redusert ladningskonsentrasjon i p-n-krysset. Det elektriske feltet i p-n-krysset kalles en potensiell barriere, og p-n-krysset kalles et blokkerende lag. Hvis retningen til det eksterne elektriske feltet er motsatt av retningen til feltet til p-n-krysset ("+" i p-regionen, "-" i n-regionen), reduseres potensialbarrieren, konsentrasjonen av ladninger i p-n-krysset øker, reduseres bredden og dermed overgangsmotstanden. Når polariteten til kilden endres, faller det eksterne elektriske feltet sammen med retningen til feltet til p-n-krysset, bredden og motstanden til krysset øker. Derfor har p-n-krysset ventilegenskaper.
halvlederdiode
diode kalt en elektrisk konverterende halvlederenhet med en eller flere p-n-overganger og to ledninger. Avhengig av hovedformålet og fenomenet som brukes i p-n-krysset, er det flere funksjonelle hovedtyper av halvlederdioder: likeretter, høyfrekvens, puls, tunnel, zenerdioder, varicaps.
Grunnleggende egenskapene til halvlederdioder er strøm-spenningskarakteristikken (VAC). For hver type halvlederdiode har I–V-karakteristikken en annen form, men de er alle basert på I–V-karakteristikken til en koblingslikeretterdiode, som har formen:
Strømspenningskarakteristikk (CVC) til dioden: 1 - likestrømspenningskarakteristikk; 2 - revers strøm-spenning karakteristikk; 3 - sammenbruddsområde; 4 - rettlinjet tilnærming av likestrøm-spenningskarakteristikken; Upor er terskelspenningen; rdyn er dynamisk motstand; Uprob - sammenbruddsspenning
Skalaen langs y-aksen for negative strømverdier er valgt mange ganger større enn for positive.
Strømspenningsegenskapene til diodene går gjennom null, men en tilstrekkelig merkbar strøm vises bare når terskelspenning(U da), som for germaniumdioder er 0,1 - 0,2 V, og for silisiumdioder er det 0,5 - 0,6 V. I området med negative spenningsverdier på dioden, ved allerede relativt lave spenninger (U arr. ) inntreffer omvendt strøm(jeg arr). Denne strømmen skapes av minoritetsbærere: elektroner i p-regionen og hull i n-regionen, hvis overgang fra en region til en annen lettes av en potensiell barriere nær grensesnittet. Med en økning i omvendt spenning oppstår ikke en økning i strøm, siden antall minoritetsbærere som vises ved overgangsgrensen per tidsenhet ikke er avhengig av spenningen som påføres utenfra, hvis den ikke er veldig stor. Reversstrømmen for silisiumdioder er flere størrelsesordener mindre enn for germanium. Ytterligere økning i reversspenning til spenningsammenbrudd(U-prøver) fører til at elektroner fra valensbåndet går inn i ledningsbåndet, det er zener-effekt. I dette tilfellet øker reversstrømmen kraftig, noe som forårsaker oppvarming av dioden og en ytterligere økning i strømmen fører til termisk sammenbrudd og ødeleggelse av p-n-krysset.
Betegnelse og definisjon av de viktigste elektriske parameterne til dioder
Halvlederdiodebetegnelse
Som nevnt tidligere leder dioden strøm i én retning (dvs. ideelt sett er den bare en leder med lav motstand), i den andre retningen gjør den det ikke (dvs. den blir til en leder med veldig høy motstand), med et ord , det har ensidig ledning. Han har derfor bare to konklusjoner. De kalles, som det har vært vanlig siden lampeteknologiens tid anode(positiv konklusjon) og katode(negativ).
Alle halvlederdioder kan deles inn i to grupper: likeretter og spesial. Likeretterdioder, som navnet tilsier, er designet for å rette opp vekselstrøm. Avhengig av frekvensen og formen til vekselspenningen deles de inn i høyfrekvent, lavfrekvent og puls. Spesiell typer halvlederdioder bruker forskjellige egenskaper p-n-overganger; sammenbruddsfenomen, barrierekapasitans, tilstedeværelsen av områder med negativ motstand, etc.
Likeretterdioder
Strukturelt er likeretterdioder delt inn i plan og punkt, og i henhold til produksjonsteknologi i legering, diffusjon og epitaksial. Plane dioder, på grunn av det store arealet av p-n-krysset, brukes til å rette opp høye strømmer. Punktdioder har et lite kryssområde og er følgelig designet for retting små strømmer. For å øke skredbruddspenningen brukes likeretterpoler som består av en serie dioder koblet i serie.
Høyeffekt likeretterdioder kalles makt. Materialet for slike dioder er vanligvis silisium eller galliumarsenid. Silisiumlegeringsdioder brukes til å likerette vekselstrøm med en frekvens på opptil 5 kHz. Silisiumdiffusjonsdioder kan operere ved høyere frekvenser, opptil 100 kHz. Silisiumepitaksiale dioder med metallsubstrat (med Schottky-barriere) kan brukes ved frekvenser opp til 500 kHz. Galliumarseniddioder er i stand til å operere i frekvensområdet opptil flere MHz.
Strømdioder er vanligvis preget av et sett med statiske og dynamiske parametere. Til statiske parametere dioder inkluderer:
- spenningsfall U CR på dioden ved en viss verdi av likestrøm;
- omvendt strøm I arr ved en viss verdi av reversspenningen;
- mener likestrøm Jeg pr.jf. ;
- impulsiv revers spenning U arr. ;
Til dynamiske parametere diode er dens tids- og frekvenskarakteristikk. Disse alternativene inkluderer:
- restitusjonstid t omvendt spenning;
- stigetid likestrøm I ut. ;
- grensefrekvens uten å redusere modusene til dioden f max .
Statiske parametere kan stilles inn i henhold til strømspenningskarakteristikken til dioden.
Den omvendte gjenopprettingstiden til dioden tvos er hovedparameteren til likeretterdioder, som karakteriserer deres treghetsegenskaper. Den bestemmes ved å bytte dioden fra en gitt fremstrøm I CR til en gitt reversspenning U arr. Under veksling får spenningen over dioden motsatt verdi. På grunn av tregheten i diffusjonsprosessen stopper ikke strømmen i dioden øyeblikkelig, men over tid t nar. I hovedsak er det en resorpsjon av ladninger ved grensen til p-n-krysset (dvs. en utslipp av tilsvarende kapasitet). Det følger av dette at effekttapene i dioden øker kraftig når den slås på, spesielt når den slås av. Følgelig tap i diodenøke med økende frekvens av den likerettede spenningen.
Når temperaturen på dioden endres, endres parameterne. Foroverspenningen på dioden og dens reversstrøm avhenger sterkest av temperaturen. Omtrent kan vi anta at TKN (spenningstemperaturkoeffisient) Upr \u003d -2 mV / K, og den omvendte strømmen til dioden har en positiv koeffisient. Så med en økning i temperaturen for hver 10 ° C, øker reversstrømmen til germaniumdioder med 2 ganger, og silisium - 2,5 ganger.
Dioder med Schottky-barriere
For retting av små spenninger med høy frekvens er mye brukt schottky barriere dioder. I disse diodene, i stedet for en p-n-overgang, brukes en metalloverflatekontakt med. Ved kontaktpunktet dukker det opp halvlederlag som er utarmet i ladningsbærere, som kalles avstengningslag. Dioder med Schottky-barriere skiller seg fra dioder med p-n-kryss på følgende måter:
- mer lav rett spenningsfall;
- Ha mer lav revers Spenning;
- mer høy strøm lekkasjer;
- nesten uten kostnad omvendt utvinning.
To hovedegenskaper gjør disse diodene uunnværlige: lavt foroverspenningsfall og rask tilbakespenningstid. I tillegg betyr fraværet av mindre medier som krever gjenopprettingstid fysisk ingen tap for å bytte selve dioden.
Den maksimale spenningen til moderne Schottky-dioder er omtrent 1200 V. Ved denne spenningen er fremspenningen til Schottky-dioden mindre enn foroverspenningen til dioder med et p-n-kryss med 0,2 ... 0,3 V.
Fordelene med Schottky-dioden blir spesielt merkbare når du retter opp lavspenninger. For eksempel har en 45-volts Schottky-diode en fremspenning på 0,4 ... 0,6 V, og ved samme strøm har en p-n-junction-diode et spenningsfall på 0,5 ... 1,0 V. Når reversspenningen synker til 15 V, foroverspenningen synker til 0,3 ... 0,4 V. I gjennomsnitt gjør bruken av Schottky-dioder i likeretteren det mulig å redusere tapene med ca 10 ... 15%. Den maksimale driftsfrekvensen til Schottky-dioder overstiger 200 kHz.
Teori er bra, men teori uten praksis er bare å riste luften.
Vi anbefaler deg å lese
Urogenital klamydia - beskrivelse, årsaker, symptomer (tegn), diagnose, behandling Behandling av urogenital klamydia
Fordelene og betydningen av hydroaminosyre treonin for menneskekroppen L treonin som
Å vente eller ikke vente på en fyr fra hæren. Hvorfor kan de få oppdrag fra hæren
Bakte epler med cottage cheese Bakte epler med cottage cheese
