iod- cel mai simplu dispozitiv din glorioasa familie a dispozitivelor semiconductoare. Dacă luăm o placă semiconductoare, de exemplu, germaniu, și introducem o impuritate acceptor în jumătatea sa stângă și o impuritate donor în dreapta sa, atunci, pe de o parte, obținem un semiconductor de tip P, respectiv, pe de altă parte, tipul N. În mijlocul cristalului, obținem așa-numitul Tranziție P-N așa cum se arată în figura 1.

Aceeași figură arată denumirea grafică condiționată a diodei în diagrame: ieșirea catodului (electrodul negativ) este foarte asemănătoare cu semnul „-”. Este mai ușor să-ți amintești așa.

În total, într-un astfel de cristal există două zone cu conductivitate diferită, din care ies două concluzii, prin urmare dispozitivul rezultat se numește diodă deoarece prefixul „di” înseamnă doi.

În acest caz, dioda s-a dovedit a fi semiconductor, dar dispozitive similare erau cunoscute înainte: de exemplu, în epocă tuburi electronice era o diodă tubulară numită kenotron. Acum astfel de diode au intrat în istorie, deși adepții sunetului „tub” cred că chiar și redresorul de tensiune anodic dintr-un amplificator cu tub ar trebui să fie unul cu tub!

Figura 1. Structura diodei și denumirea diodei din diagramă

La joncțiunea semiconductorilor cu conductivități P și N, se dovedește Joncțiune P-N (joncțiune P-N), care stă la baza tuturor dispozitivelor semiconductoare. Dar, spre deosebire de o diodă, care are o singură joncțiune, acestea au două joncțiuni P-N și, de exemplu, sunt formate din patru joncțiuni simultan.

Joncțiunea P-N în repaus

Chiar dacă joncțiunea P-N, în acest caz dioda, nu este conectată nicăieri, în interiorul ei mai apar procese fizice interesante, care sunt prezentate în Figura 2.

Figura 2. Dioda în repaus

În regiunea N există un exces de electroni, poartă o sarcină negativă, iar în regiunea P sarcina este pozitivă. Împreună se formează aceste taxe câmp electric. Deoarece, spre deosebire de sarcinile tind să se atragă, electronii din zona N pătrund în zona P încărcată pozitiv, umplând unele găuri. Ca urmare a unei astfel de mișcări în interiorul semiconductorului, apare un curent, deși foarte mic (unități de nanoamperi).

Ca urmare a unei astfel de mișcări, densitatea materiei pe partea P crește, dar până la o anumită limită. Particulele tind de obicei să se răspândească uniform în volumul unei substanțe, la fel cum mirosul de parfum se răspândește într-o cameră (difuzie), astfel încât, mai devreme sau mai târziu, electronii revin înapoi în zona N.

Dacă pentru majoritatea consumatorilor de energie electrică direcția curentului nu joacă un rol - becul luminează, țigla se încălzește, atunci pentru diodă direcția curentului joacă un rol imens. Funcția principală a unei diode este de a conduce curentul într-o singură direcție. Această proprietate este furnizată de joncțiunea P-N.

Pornirea diodei în direcția opusă

Dacă conectați o sursă de alimentare la o diodă semiconductoare, așa cum se arată în Figura 3, atunci niciun curent nu va trece prin joncțiunea P-N.

Figura 3. Dioda inversată

După cum puteți vedea în figură, polul pozitiv al sursei de alimentare este conectat la zona N, iar polul negativ este conectat la zona P. Ca rezultat, electronii din regiunea N se repezi spre polul pozitiv al sursei. La rândul lor, sarcinile pozitive (găuri) din regiunea P sunt atrase de polul negativ al sursei de energie. Prin urmare, în zonele P-N tranziție, după cum se poate vedea în figură, se formează un gol, pur și simplu nu există nimic care să conducă curentul, nu există purtători de sarcină.

Pe măsură ce tensiunea de alimentare crește, electronii și găurile sunt atrași din ce în ce mai mult. câmp electric baterii, în regiunea joncțiunii P-N, există din ce în ce mai puțini purtători de încărcare. Prin urmare, în conexiunea inversă, nici un curent nu trece prin diodă. În astfel de cazuri, se obișnuiește să spună asta dioda semiconductoare este blocată de tensiune inversă.

O creștere a densității materiei în apropierea polilor bateriei duce la difuziune, - dorința unei distribuții uniforme a substanței în volum. Ce se întâmplă când bateria este oprită.

Dioda semiconductoare de curent invers

Aici a sosit momentul să rechem transportatorii minori care au fost uitați condiționat. Cert este că, chiar și în stare închisă, un curent mic trece prin diodă, numit invers. Acest curent inversși este creat de purtători non-primari, care se pot deplasa exact în același mod ca și cei primari, doar în sens invers. Desigur, o astfel de mișcare are loc cu o tensiune inversă. Curentul invers este de obicei mic, din cauza numărului mic de purtători minoritari.

Odată cu creșterea temperaturii cristalului, numărul purtătorilor minoritari crește, ceea ce duce la o creștere a curentului invers, ceea ce poate duce la Distrugerea P-N tranziție. Prin urmare, temperaturile de funcționare pentru dispozitivele semiconductoare - diode, tranzistoare, microcircuite sunt limitate. Pentru a preveni supraîncălzirea, pe radiatoarele sunt instalate diode și tranzistoare puternice - calorifere.

Pornirea diodei în direcția înainte

Prezentat în figura 4.

Figura 4. Conexiune directă diodă

Acum să schimbăm polaritatea sursei: conectați minusul la regiunea N (catod) și plus la regiunea P (anodul). Cu această includere în regiunea N, electronii vor fi respinși din minusul bateriei și se vor muta la Partea P-N tranziție. În regiunea P, găurile încărcate pozitiv vor fi respinse de la borna pozitivă a bateriei. Electronii și găurile se repezi unul spre celălalt.

Particulele încărcate cu polaritate diferită se adună lângă joncțiunea P-N, între ele iese un câmp electric. Prin urmare, electronii depășesc joncțiunea P-N și continuă să se deplaseze prin zona P. În același timp, unii dintre ei se recombină cu găuri, dar majoritatea se grăbesc la plusul bateriei, curentul Id a trecut prin diodă.

Acest curent se numește curent continuu. Este limitat de datele tehnice ale diodei, o valoare maximă. Dacă această valoare este depășită, atunci există pericolul de defectare a diodei. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că direcția curentului continuu din figură coincide cu mișcarea inversă general acceptată a electronilor.

Se mai poate spune că în direcția directă de pornire rezistență electrică dioda este relativ mică. Când este pornit din nou, această rezistență va fi de multe ori mai mare, nici un curent nu trece prin dioda semiconductoare (un ușor curent invers nu este luat în considerare aici). Din cele de mai sus, putem concluziona că dioda se comportă ca o supapă mecanică convențională: rotită într-o direcție - apa curge, întoarsă în cealaltă - curgerea s-a oprit. Pentru această proprietate, dioda a fost numită supapă semiconductoare.

Pentru a înțelege în detaliu toate abilitățile și proprietățile unei diode semiconductoare, ar trebui să vă familiarizați cu ea caracteristica volt - amper. De asemenea, este o idee bună să aflați despre diferitele modele de diode și proprietăți de frecvență, precum și despre avantajele și dezavantajele. Acest lucru va fi discutat în următorul articol.

Există o altă modalitate de a reduce tensiunea pe sarcină, dar numai pentru circuitele DC. Vezi despre aici.

În loc de un rezistor suplimentar, se folosește un lanț de diode conectate în serie în direcția înainte.

Ideea este că atunci când curentul trece prin diodă, o „tensiune directă” scade pe ea, egală, în funcție de tipul de diodă, puterea și curentul care circulă prin ea, de la 0,5 la 1,2 volți.

Pe dioda cu germaniu, tensiunea scade cu 0,5 - 0,7 V, pe dioda cu siliciu de la 0,6 la 1,2 volți. În funcție de câți volți aveți nevoie pentru a reduce tensiunea la sarcină, porniți numărul corespunzător de diode.

Pentru a reduce tensiunea cu 6 V, trebuie să porniți aproximativ: 6 V: 1,0 \u003d 6 bucăți de diode de siliciu, 6 V: 0,6 \u003d 10 bucăți de diode cu germaniu. Diodele din siliciu sunt cele mai populare și disponibile.

Circuitul de mai sus cu diode este mai greoaie în execuție decât cu un rezistor simplu. Dar, tensiunea de ieșire, într-un circuit cu diode, este mai stabilă și slab dependentă de sarcină. Care este diferența dintre aceste două metode de reducere a tensiunii de ieșire?

În Fig 1 - rezistență suplimentară - rezistență (rezistența firului), Fig 2 - rezistență suplimentară - diodă.

Un rezistor (rezistența firului) are o relație liniară între curentul care trece prin el și căderea de tensiune pe el. De câte ori crește curentul, căderea de tensiune pe rezistor va crește cu aceeași cantitate.

Din exemplul 1: dacă conectăm altul în paralel cu becul, atunci curentul din circuit va crește, ținând cont de rezistența totală a celor două becuri până la 0,66 A. Căderea de tensiune pe rezistența suplimentară va fi : 12 Ohm * 0,66 A = 7,92 V Becurile vor rămâne: 12 V - 7,92 V = 4,08 V. Vor arde până la podeaua luminii.

O imagine complet diferită va fi dacă în loc de un rezistor există un lanț de diode.

Relația dintre curentul care trece printr-o diodă și căderea de tensiune pe ea este neliniară. Curentul poate crește de mai multe ori, căderea de tensiune pe diodă va crește cu doar câteva zecimi de volți.

Acestea. cu cât curentul diodei este mai mare, cu atât rezistența acesteia crește mai puțin (în comparație cu rezistența). Căderea de tensiune pe diode depinde puțin de curentul din circuit.

Diodele dintr-un astfel de circuit acționează ca un stabilizator de tensiune. Diodele trebuie selectate în funcție de curentul maxim din circuit. Maxim curent admisibil diodele trebuie să fie mai mari decât curentul din circuitul calculat.

Căderile de tensiune pe unele diode la un curent de 0,5 A sunt date în tabel.

În lanțuri curent alternativ, ca rezistență suplimentară, puteți utiliza un condensator, inductanță, dinistor sau tiristor (cu adăugarea unui circuit de control).

Dioda semiconductoare - element circuit electric, care are două terminale și are conductivitate electrică unilaterală. Toate diodele semiconductoare pot fi împărțite în două grupe: redresoare și speciale. Diodele redresoare, după cum sugerează și numele, sunt proiectate pentru a redresa curentul alternativ. În funcție de frecvență și formă Tensiune AC ele sunt împărțite în frecvență înaltă, frecvență joasă și puls. Tipuri speciale de diode semiconductoare folosesc proprietăți diferite pn tranziții: fenomen de defalcare, capacitatea de barieră, prezența secțiunilor cu rezistență negativă etc.

Din punct de vedere structural, diodele redresoare sunt împărțite în plane și punctiforme, iar în funcție de tehnologia de fabricație, în aliaje, difuzie și epitaxiale. Diode plane datorită suprafeței mari pn-jonctiunile sunt folosite pentru a redresa curenti mari. Diodele punctuale au o zonă mică de joncțiune și, în consecință, sunt proiectate pentru a rectifica curenții mici. Pentru a crește tensiunea de rupere în avalanșă, se folosesc poli redresoare, formați dintr-o serie de diode conectate în serie.

Diodele redresoare de mare putere sunt numite diode de putere. Materialul pentru astfel de diode este de obicei siliciu sau arseniura de galiu. Germaniul practic nu este utilizat din cauza dependenței puternice de temperatură a curentului invers. Diodele din aliaj de siliciu sunt folosite pentru a redresa curentul alternativ de până la 5 kHz. Diodele de difuzie cu siliciu pot funcționa la frecvențe ridicate de până la 100 kHz. Diodele epitaxiale din siliciu cu substrat metalic (cu o barieră Schottky) pot fi utilizate la frecvențe de până la 500 kHz. Diodele cu arseniură de galiu sunt capabile să funcționeze în intervalul de frecvență de până la câțiva MHz.

Funcționarea diodelor se bazează pe utilizarea unei joncțiuni electron-gaură - un strat subțire de material între două zone tip diferit conductivitate electrică - nși p. Principala proprietate a acestei tranziții este conductivitatea electrică asimetrică, în care cristalul trece curentul într-o direcție și nu trece în cealaltă. Dispozitivul tranziției electron-gaură este prezentat în Fig. 1.1, a. O parte a acestuia este dopată cu o impuritate donor și are conductivitate electronică ( n-regiune); celălalt, dopat cu o impuritate acceptor, are conductivitate în găuri ( p-regiune). Concentrațiile de purtători în regiuni diferă brusc. În plus, ambele părți conțin o mică concentrație de purtători minoritari.

Fig.1.1. pn tranziție:

a - dispozitiv, b - taxe de spațiu

Electroni înăuntru n- zonele tind să pătrundă în p- regiune în care concentrația de electroni este mult mai mică. La fel, găuri p-zonele sunt mutate în n-regiune. Ca urmare a mișcării care se apropie a sarcinilor opuse, apare așa-numitul curent de difuzie. Electronii și găurile, trecând prin interfață, lasă în urmă sarcini opuse, care împiedică trecerea în continuare a curentului de difuzie. Ca rezultat, echilibrul dinamic este stabilit la graniță și la închidere p- și n- zonele fără curent în circuit. Distribuția densității de sarcină spațială în tranziție este prezentată în Fig. 1.1, b. În acest caz, în interiorul cristalului de la interfață există un câmp electric propriu E oct. , a cărei direcție este prezentată în Fig. 1.1, a. Intensitatea sa este maximă la interfață, unde are loc o schimbare bruscă a semnului încărcăturii spațiale. Și apoi semiconductorul este neutru.

Înălțimea potențială a barierei la pn tranziția este determinată de diferența de potențial de contact n- și p-zone, care, la rândul lor, depinde de concentrația de impurități din ele:

, (1.1)

unde este potentialul termic, N nși pp sunt concentrațiile de electroni și găurile în n- și p-zone, n i este concentrația purtătorilor de sarcină în semiconductorul nedopat.

Diferența de potențial de contact pentru germaniu este de 0,6 ... 0,7 V, iar pentru siliciu - 0,9 ... 1,2 V. Înălțimea barierei de potențial poate fi modificată prin aplicarea unei tensiuni externe la pn tranziție. Dacă câmpul tensiunii externe coincide cu cel intern, atunci înălțimea barierei de potențial crește; când tensiunea aplicată este inversată, înălțimea barierei scade. Dacă tensiunea aplicată este egală cu diferența de potențial de contact, atunci bariera de potențial dispare complet.

Prin urmare, dacă o tensiune externă scade bariera de potențial, se numește directă, iar dacă o crește, se numește inversă.

Simbolul și caracteristica curent-tensiune (CVC) ale unei diode ideale sunt prezentate în Fig. 1.2.

Ieșirea la care trebuie aplicat un potențial pozitiv se numește anod, ieșirea cu potențial negativ se numește catod (Fig. 1.2, a). O diodă ideală în direcția conductivă are rezistență zero. În direcția neconductivă - o rezistență infinit de mare (Fig. 1.2, b).

Fig. 1.2 Simbolul (a) și CVC

caracteristica unei diode ideale (b)

în semiconductori R-tip, orificiile sunt suporturile principale. Conductivitatea electrică a găurii a fost creată prin introducerea de atomi ai unei impurități acceptoare. Valența lor este cu unul mai mică decât cea a atomilor semiconductori. În acest caz, atomii de impurități captează electronii semiconductori și creează găuri - purtători mobili de sarcină.

în semiconductori n-tip principalii purtători sunt electronii. Conductivitatea electrică electronică este creată prin introducerea de atomi de impurități donatoare. Valența lor este cu unul mai mult decât cea a atomilor semiconductori. Formare legaturi covalente cu atomii semiconductori, atomii de impurități nu folosesc 1 electron, care devine liber. Atomii înșiși devin ioni pozitivi imobili.

Dacă o sursă de tensiune este conectată la bornele externe ale diodei în direcția înainte, atunci această sursă de tensiune va crea în district câmp electric de tranziție îndreptat spre interior. Câmpul rezultat va scădea. Aceasta va începe procesul de difuzie. Un curent continuu va curge în circuitul diodei. Cu cât valoarea tensiunii externe este mai mare, cu atât valoarea câmpului intern este mai mică, cu atât stratul de blocare este mai îngust, cu atât valoarea curentului continuu este mai mare. Odată cu creșterea tensiunii externe, curentul continuu crește exponențial (Fig. 1.3). Când se atinge o anumită valoare a tensiunii externe, lățimea stratului de barieră va scădea la zero. Curentul direct va fi limitat doar de rezistența de volum și va crește liniar pe măsură ce tensiunea crește.

Fig.1.3. IV caracteristica unei diode reale

În acest caz, căderea de tensiune pe diodă este o cădere de tensiune directă. Valoarea sa este mică și depinde de material:

germaniu GE: U pr= (0,3 - 0,4) V;

siliciu Si: U pr\u003d (0,6 - 1) V.

Dacă schimbați polaritatea tensiunii externe, atunci câmpul electric al acestei surse va coincide cu cel intern. Câmpul rezultat va crește, lățimea stratului de barieră va crește, iar curentul în mod ideal nu va curge în direcția opusă; dar din moment ce semiconductorii nu sunt ideali și pe lângă principalii purtători de telefonie mobilă există un număr mic de cei minori, ca urmare, apare un curent invers. Valoarea sa depinde de concentrația purtătorilor minoritari și este de obicei de la câțiva până la zeci de microamperi.

Concentrația purtătorilor minoritari este mai mică decât concentrația celor majori, deci curentul invers este mic. Mărimea acestui curent nu depinde de mărimea tensiunii inverse. Curentul invers de siliciu este cu câteva ordine de mărime mai mic decât cel al germaniului, dar diodele de siliciu au o cădere de tensiune directă mai mare. Concentrația purtătorilor minoritari depinde de temperatură și, pe măsură ce crește, curentul invers crește, deci se numește curent termic I o:

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

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

Există o formulă aproximativă

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

Unde T *- creșterea temperaturii, care corespunde unei dublari a curentului termic,

T*Ge=8...10 o C; T*Si=6°C.

Expresia analitică pentru VAC r-p tranziția arată astfel:

, (1.2)

Unde U este tensiunea externă aplicată.

Pentru o temperatură de 20 ° C φ t = 0,025V.

Odată cu creșterea temperaturii datorită creșterii curentului termic și scăderii barierei de potențial, scăderea rezistenței straturilor semiconductoare, are loc o schimbare a ramurilor directe a caracteristicii I-V în regiunea curenților înalți. . Rezistența de volum a semiconductorilor scade nși R. Ca urmare, căderea de tensiune directă va fi mai mică. Pe măsură ce temperatura crește, bariera potențială a stratului de barieră scade datorită scăderii diferenței dintre concentrațiile de purtători majori și minori, ceea ce va duce și la o scădere a U pr, deoarece stratul de barieră va dispărea la o tensiune mai mică.

Același curent va corespunde unor tensiuni directe diferite (Fig. 1.4), formând diferența DU,

Unde e- coeficientul de temperatură al tensiunii.

Dacă curentul prin diodă este constant, atunci căderea de tensiune pe diodă va scădea. Odată cu creșterea temperaturii cu un grad, căderea de tensiune directă scade cu 2 mV.

Orez. 1.4. VAC r-p tranziția la fig. 1.5. CVC de germaniu și

diferite temperaturi ale diodelor de siliciu

Pe măsură ce temperatura crește, ramura inversă a caracteristicii curent-tensiune se deplasează în jos (Fig. 1.4). Intervalul de temperatură de funcționare pentru diodele cu germaniu este de 80 ° C, pentru diodele de siliciu 150 ° C.

Caracteristicile IV ale diodelor cu germaniu și siliciu sunt prezentate în Fig. 1.5.

Rezistență diferențială r-p tranziție (Fig. 1.6):

(1.3)

Cu curent crescând r d- scade.

Fig. 1.6 Definirea diferenţialului

rezistenta diodei

Rezistenţă curent continuu r-p tranziție: .

Rezistența DC este caracterizată de panta dreptei trasate de la origine la punct dat. Această rezistență depinde și de mărimea curentului: cu creșterea I, rezistența scade . R Ge< R Si .

Caracteristica IV a unei diode semiconductoare este oarecum diferită de caracteristica IV a unei diode ideale. Deci, din cauza scurgerii de curent pe suprafața cristalului, curentul invers real va fi mai mare decât curentul termic. În consecință, rezistența inversă a unei diode reale este mai mică decât cea a uneia ideale. r-p tranziție.

Căderea de tensiune directă este mai mare decât ideală r-p tranziție. Acest lucru se datorează căderii de tensiune pe straturile semiconductoare. Rși P tip. Mai mult, în diode reale unul dintre straturi R sau P are o concentrație mai mare de purtători majori decât celălalt. Un strat cu o concentrație mare de purtători majoritari se numește emițător; are o rezistență neglijabilă. Un strat cu o concentrație mai mică de purtători majoritari se numește bază. Are destul de multă rezistență.

Creșterea căderii de tensiune directă apare din cauza căderii de tensiune pe rezistența de bază.

Pentru calcul circuite electronice continand diode semiconductoare, devine necesara reprezentarea lor sub forma de circuite echivalente. Circuitul echivalent al unei diode semiconductoare cu o aproximare liniară pe bucăți a CVC este prezentat în Fig. 1.7. Figura 1.8 prezintă circuite echivalente folosind caracteristicile I–V ale unei diode ideale și caracteristicile I–V ale unei diode ideale pn tranziție ( r d este rezistența diodei, r este rezistența la scurgere a diodei).

Fig.1.7. Aproximarea caracteristicii curent-tensiune a unei diode

segmente liniare

Fig.1.8. Înlocuirea diodelor utilizând caracteristicile I-V

diodă ideală (a) și ideal CVC pn tranziție (b)

Funcționarea unei diode într-un circuit cu sarcină. Luați în considerare cel mai simplu circuit cu o diodă și un rezistor și acțiunea unei tensiuni bipolare la intrarea sa (Fig. 1.9). Imaginea distribuției tensiunilor pe elementele circuitului este determinată de poziția liniilor de sarcină (Fig. 1.10) - pe graficul CVC al diodei de-a lungul axei tensiunii sunt reprezentate două puncte în ambele direcții, determinate de +Hmși – U m tensiune de alimentare, care corespunde tensiunii pe dioda cu o sarcină scurtcircuitată R n, iar curenții se depun pe axa curentului în ambele sensuri U m / R nși - U m / R n, care corespunde unei diode scurtcircuitate. Aceste două puncte sunt conectate în perechi prin linii drepte, care se numesc sarcină. Intersecțiile liniei de încărcare R nîn primul şi al treilea cadran cu ramuri

Caracteristicile I–V ale diodei pentru fiecare fază a tensiunii de alimentare corespund

Orez. 1.9. Circuit cu diodă și Fig. 1.10. Diodă CVC cu sarcină

sarcina directa

curenții lor identici (ceea ce este necesar atunci când sunt conectați în serie) și determină poziția punctelor de funcționare.

semiundă pozitivă U>0, U=Um.

Această polaritate este directă pentru o diodă. Curentul și tensiunea vor satisface întotdeauna caracteristicile curent-tensiune:

,

În plus:

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

la Am \u003d 0, U d \u003d U m;

la U d \u003d 0, am d \u003d U m / R H;

cu conexiune directă U m >> U pr(Fig. 1.10).

La aplicație practică U pr>0 (U pr- tensiune directă) când dioda este deschisă. Când dioda funcționează în direcția înainte, tensiunea pe ea este minimă - ( GE-0,4V; Si-0,7 V), și poate fi considerat aproximativ egal cu zero. Curentul va fi atunci maxim.

Fig.1.11. Semnale de tensiune și curent într-un circuit de diode cu sarcină

.

semiundă negativă U<0, U= -U m .

Caracteristica diodei este aceeași, dar

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

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

Ud =0, Id =Um/RH; U H<

Capacitate r-p tranziție. Când este pornit r-p tranziție în direcția opusă, precum și la tensiuni directe mici în regiune r-p tranzitie exista un dublu strat electric: in R zone - negative, în P zone - pozitive.

Acumularea unei sarcini necompensate în acest strat duce la apariția unei capacități r-p tranziție, care se numește capacitatea de barieră. Caracterizează modificarea sarcinii acumulate cu o modificare a tensiunii externe conform Fig. 1.12. C b \u003d dQ / dU .

Orez. 1.12. Dependența capacității barierei

de la tensiune inversă.

Capacitatea barierei depinde de dimensiunile geometrice r-p tranziție. Odată cu creșterea U arr lăţime r-p tranziția crește, iar capacitatea scade.

Când dioda este pornită în direcția înainte, capacitatea barierei practic dispare, iar purtătorii minoritari transferați de la emițător se acumulează în stratul de bază al diodei. Această acumulare de sarcină creează, de asemenea, un efect de capacitate, care se numește capacitate de difuzie. C d de obicei depaseste C b.

Se determină capacitatea de difuzie C d \u003d dQ d / dU.

Aceste capacități afectează funcționarea diodelor la frecvențe înalte. Capacitate r-p tranziția este inclusă în circuitul echivalent (Fig. 1.13).

Orez. 1.13. Circuite echivalente de diode ținând cont de capacități:

a – capacitatea de barieră; b - capacitatea de difuzie

Procese tranzitorii în diode. Când diodele funcționează cu semnale de înaltă frecvență (1-10 MHz), procesul de trecere de la o stare neconductivă la o stare conductivă și invers nu are loc instantaneu din cauza prezenței capacității în tranziție, datorită acumulării. a sarcinilor din baza diodei.

Figura 1.14 prezintă diagramele de timp ale schimbărilor de curent prin diodă și sarcină cu impulsuri dreptunghiulare ale tensiunii de alimentare. Capacitatele din circuitul diodei distorsionează marginile de început și de urma ale impulsurilor, provocând apariția timpului de absorbție tp.

Atunci când alegeți o diodă pentru un anumit circuit, trebuie luate în considerare proprietățile frecvenței și viteza acesteia.

Orez. 1.14. Procese tranzitorii la

dioda de comutare:

t f1- durata muchiei de atac a tranziției;

t f2- durata muchiei de fugă;

tp- timpul de dizolvare.

Dărâma r-p tranziție. Tensiunea inversă a diodei nu poate crește la o valoare arbitrar de mare. La o tensiune inversă, caracteristică fiecărui tip de diodă, există o creștere bruscă a curentului invers. Acest efect se numește întrerupere a tranziției. Există mai multe tipuri de defalcare (Fig. 1.15):

1 - defectarea avalanșei, când apare o creștere a curentului invers din cauza înmulțirii avalanșei a purtătorilor neprincipali;

Orez. 1.15. CVC pentru diferite tipuri de avarii

Avarie în 2 tunel, când are loc depășirea barierei de potențial și a stratului de blocare din cauza efectului de tunel.

În timpul defecțiunilor de avalanșă și tunel, curentul invers crește la o tensiune inversă constantă.

Acestea sunt defecțiuni electrice. Sunt reversibile. După îndepărtare U arr dioda își recuperează proprietățile.

3- defalcare termică, apare atunci când cantitatea de căldură eliberată în r-p joncțiune, mai multă căldură este degajată de suprafața diodei către mediu. Cu toate acestea, cu creșterea temperaturii r-p tranziția, concentrația purtătorilor minoritari crește, ceea ce duce la o creștere și mai mare a curentului invers, ceea ce, la rândul său, duce la creșterea temperaturii etc. Deoarece pentru diodele fabricate pe bază de germaniu, am arr mai mult decât pentru diodele pe bază de siliciu, atunci pentru primele, probabilitatea de defectare termică este mai mare decât pentru cele din urmă. Prin urmare, temperatura maximă de funcționare pentru diodele cu siliciu este mai mare (150 o ... 200 o C) decât pentru cele cu germaniu (75 o ... 90 o C).

Cu această defalcare r-p tranziția este distrusă.

Întrebări de testare.

1. Ce este o diodă semiconductoare? Caracteristica curent-tensiune a unei diode ideale și reale?

2. Ce materiale se folosesc la fabricarea diodelor semiconductoare? Cum se creează regiuni ale unuia sau altui tip de conductivitate într-un substrat semiconductor?

3. Care este câmpul electric intrinsec într-un cristal la graniță p-n- tranziție? Cum se schimbă când se aplică o tensiune externă?

4. Ce explică efectul conducerii unidirecționale p-n- joncțiune într-un semiconductor?

5. Caracteristici curent-tensiune pn-tranziții pentru diode cu germaniu și siliciu atunci când temperatura exterioară se modifică?

6. Cum se determină rezistența diferențială a unei diode?

7. Cum sunt construite caracteristicile curent-tensiune ale unei diode cu o linie dreaptă de sarcină?

8. Explicați mecanismul de formare a barierei și capacităților de difuzie ale diodei? Cum afectează ele funcționarea diodei în circuitele de curent alternativ?

Cursul 2 Tipuri speciale

Semiconductorii sunt substanțe care ocupă o poziție intermediară între conductori și izolatori în proprietățile lor conductoare electric.
În semiconductori, ca și în metale, curentul este o mișcare ordonată a particulelor încărcate.
Cu toate acestea, odată cu mișcarea sarcinilor negative (electronilor) în semiconductori, există o mișcare ordonată a sarcinilor pozitive, așa-numita. - găuri.

găuri obţinute cu participarea ionii substanțe semiconductoare - atomi cu electroni fugari. În realitate, atomii ionizați nu își părăsesc locul în rețeaua cristalină. De fapt, există o schimbare treptată a stării atomilor materiei, atunci când electronii sar de la un atom la altul. Există un proces care în exterior arată ca o mișcare ordonată a unor particule încărcate pozitiv condiționat - găuri.

Într-un semiconductor obișnuit, pur, raportul găuriși electrozi liberi 50%:50%.
Dar merită să adăugați o cantitate mică de substanță - impurități la semiconductor, deoarece acest raport suferă modificări semnificative. În funcție de caracteristicile substanței adăugate, semiconductorul dobândește fie o conductivitate electronică pronunțată (tipul n), fie găurile (tipul p) devin purtătorii săi principali.

Joncțiune semiconductoare (p-n) se formează la joncțiunea a două fragmente dintr-un material semiconductor având conductivitate diferită. Este o regiune extrem de subțire epuizată de ambele tipuri de purtători. Joncțiunea p-n are o rezistență mică atunci când direcția curentului este înainte și o rezistență foarte mare când direcția curentului este inversă.

O diodă semiconductoare convențională constă dintr-o singură joncțiune semiconductoare prevăzută cu două terminale - anod(electrod pozitiv) și catod- electrod negativ. În consecință, dioda are proprietatea conducere unilaterală- conduce curentul bine in directia inainte si rau in sens invers.

Ce înseamnă asta în practică?
Imaginează-ți un circuit electric format dintr-o baterie și un bec cu incandescență conectate în serie printr-o diodă semiconductoare. Lampa se va aprinde numai dacă anod(electrodul pozitiv) este conectat la plusul sursei de alimentare (bateria) și catod(electrodul negativ) la minus - prin filamentul becului.

Aceasta este includerea directă a unei diode semiconductoare. Dacă inversați polaritatea sursei de alimentare, dioda se va aprinde invers - lumina nu se va aprinde. Acordați atenție modului în care arată denumirea unei diode semiconductoare pe diagramă - o săgeată triunghiulară care indică conexiunea directă coincide cu direcția curentului general acceptată în inginerie electrică - de la plusul sursei de alimentare la minus. Linia verticală adiacentă simbolizează un obstacol în calea mișcării curentului în direcția opusă.

Există o condiție prealabilă pentru funcționarea normală a oricărei diode semiconductoare. Tensiunea de alimentare trebuie să depășească un anumit prag (valoarea potențialului de polarizare intern joncțiune p-n). Pentru diodele redresoare, este de obicei mai mică de 1 volt, pentru diodele cu germaniu de înaltă frecvență este de aproximativ 0,1 volți, pentru LED-uri poate depăși 3 volți. Această proprietate a diodelor semiconductoare poate fi utilizată pentru a crea surse de alimentare stabilizate de joasă tensiune.

Dacă conectați dioda înapoi și creșteți treptat tensiunea sursei de alimentare, la un moment dat va avea loc cu siguranță o defecțiune electrică inversă a joncțiunii p-n. Dioda va începe să treacă curentul în direcția opusă, iar joncțiunea va fi deteriorată. Valoarea tensiunii inverse maxime admisibile (Ureverse) variază mult pentru diferite tipuri de diode semiconductoare și este un parametru foarte important.

Al doilea parametru, nu mai puțin important, poate fi numit valoarea limită a curentului direct-Upr. Acest parametru depinde direct de mărimea căderii de tensiune la joncțiunea diodei semiconductoare, de materialul semiconductorului și de caracteristicile de transfer de căldură ale carcasei.

Utilizarea oricăror materiale de pe această pagină este permisă dacă există un link către site

Depinde foarte mult de concentrația de impurități. Semiconductorii ale căror proprietăți electrofizice depind de impuritățile altor elemente chimice se numesc semiconductori de impurități. Există două tipuri de impurități, donor și acceptor.

Donator se numește o impuritate, ai cărei atomi dau semiconductorului electroni liberi, iar conductivitatea electrică obținută în acest caz, asociată cu mișcarea electronilor liberi, este electronic. Un semiconductor cu conductivitate electronică se numește semiconductor electronic și este notat în mod convențional cu litera latină n - prima literă a cuvântului „negativ”.

Să luăm în considerare procesul de formare a conductibilității electronice într-un semiconductor. Luăm siliciul ca principal material semiconductor (semiconductorii de siliciu sunt cei mai comune). Siliciul (Si) are patru electroni pe orbita exterioară a atomului, care îi determină proprietățile electrofizice (adică se mișcă sub influența tensiunii pentru a crea un curent electric). Când atomii de impurități de arsen (As) sunt introduși în siliciu, care are cinci electroni pe orbita exterioară, patru electroni interacționează cu patru electroni ai siliciului, formând o legătură covalentă, iar al cincilea electron al arsenului rămâne liber. În aceste condiții, se separă cu ușurință de atom și are posibilitatea de a se mișca în substanță.

acceptor O impuritate se numește o impuritate ai cărei atomi acceptă electroni de la atomii semiconductorului principal. Conductivitatea electrică rezultată, asociată cu mișcarea sarcinilor pozitive - găuri, se numește gaură. Un semiconductor cu conductivitate electrică în găuri se numește semiconductor în găuri și este notat în mod convențional cu litera latină p - prima literă a cuvântului „pozitiv”.

Să luăm în considerare procesul de formare a conductibilității găurii. când atomii de impurități de indiu (In) sunt introduși în siliciu, care are trei electroni pe orbita exterioară, ei se leagă de trei electroni de siliciu, dar această legătură se dovedește a fi incompletă: mai lipsește un electron pentru a se lega cu al patrulea electron al siliciu. Atomul de impuritate atașează electronul lipsă de la unul dintre atomii din apropiere ai semiconductorului principal, după care devine asociat cu toți cei patru atomi vecini. Datorită adăugării unui electron, acesta capătă o sarcină negativă în exces, adică se transformă într-un ion negativ. În același timp, atomul semiconductor, din care a plecat al patrulea electron pentru atomul de impuritate, se dovedește a fi conectat cu atomii învecinați prin doar trei electroni. astfel, există un exces de sarcină pozitivă și apare o legătură neumplută, adică gaură.

Una dintre proprietățile importante ale unui semiconductor este că, în prezența găurilor, un curent poate trece prin el, chiar dacă nu există electroni liberi în el. Acest lucru se datorează capacității găurilor de a se muta de la un atom semiconductor la altul.

Mișcarea „găurilor” într-un semiconductor

Prin introducerea unei impurități donor într-o parte a unui semiconductor și a unei impurități acceptoare într-o altă parte, este posibil să se obțină regiuni cu conductivitate de electroni și găuri în ea. O așa-numită tranziție electron-gaură se formează la granița dintre regiunile conducției electronice și ale găurii.

Joncţiunea P-N

Luați în considerare procesele care au loc atunci când trece curentul tranziție electron-gaură. Stratul din stânga, etichetat n, este conductor electronic. Curentul din acesta este asociat cu mișcarea electronilor liberi, care sunt indicați în mod convențional prin cercuri cu semnul minus. Stratul din dreapta, notat cu litera p, are conductivitate în găuri. Curentul din acest strat este asociat cu mișcarea găurilor, care sunt indicate prin cercuri cu un „plus” în figură.

Mișcarea electronilor și a găurilor în modul de conducere directă

Mișcarea electronilor și a găurilor în regim de conducție inversă.

Când semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate intră în contact, electronii din cauza difuziune va începe să se deplaseze în regiunea p, iar găurile - în regiunea n, drept urmare stratul limită al regiunii n este încărcat pozitiv, iar stratul limită al regiunii p este încărcat negativ. Între regiuni apare un câmp electric, care este, parcă, bariere pentru principalii purtători de curent, datorită căruia se formează o regiune cu o concentrație redusă de sarcină în joncțiunea p-n. Câmpul electric din joncțiunea p-n se numește barieră de potențial, iar joncțiunea p-n se numește strat de blocare. Dacă direcția câmpului electric extern este opusă direcției câmpului joncțiunii p-n ("+" în regiunea p, "-" în regiunea n), atunci bariera de potențial scade, concentrația sarcinilor în joncțiunea p-n crește, lățimea și, prin urmare, rezistența de tranziție scade. Când se schimbă polaritatea sursei, câmpul electric extern coincide cu direcția câmpului joncțiunii p-n, lățimea și rezistența joncțiunii crește. Prin urmare, joncțiunea p-n are proprietăți de supapă.

dioda semiconductoare

diodă numit dispozitiv semiconductor cu conversie electrică cu una sau mai multe joncțiuni p-n și două cabluri. În funcție de scopul principal și de fenomenul utilizat în joncțiunea p-n, există mai multe tipuri funcționale principale de diode semiconductoare: redresoare, de înaltă frecvență, puls, tunel, diode zener, varicaps.

De bază caracteristicile diodelor semiconductoare este caracteristica curent-tensiune (VAC). Pentru fiecare tip de diodă semiconductoare, caracteristica I–V are o formă diferită, dar toate se bazează pe caracteristica I–V a unei diode redresoare de joncțiune, care are forma:

Caracteristica curent-tensiune (CVC) a diodei: 1 - caracteristica curent continuu-tensiune; 2 - caracteristica inversă curent-tensiune; 3 - zona de defalcare; 4 - aproximarea rectilinie a caracteristicii curent continuu-tensiune; Upor este tensiunea de prag; rdyn este rezistența dinamică; Uprob - tensiune de avarie

Scara de-a lungul axei y pentru valorile negative ale curenților este aleasă de multe ori mai mare decât pentru cele pozitive.

Caracteristicile curent-tensiune ale diodelor trec prin zero, dar un curent suficient de vizibil apare numai atunci când tensiune de prag(U atunci), care pentru diodele cu germaniu este de 0,1 - 0,2 V, iar pentru diodele cu siliciu este de 0,5 - 0,6 V. În regiunea valorilor negative ale tensiunii pe diodă, la tensiuni deja relativ scăzute (U arr. ) apare curent invers(Am sosit). Acest curent este creat de purtători minoritari: electroni din regiunea p și găurile regiunii n, a căror tranziție de la o regiune la alta este facilitată de o barieră de potențial în apropierea interfeței. Odată cu creșterea tensiunii inverse, nu are loc o creștere a curentului, deoarece numărul de purtători minoritari care apar la limita de tranziție pe unitatea de timp nu depinde de tensiunea aplicată din exterior, dacă aceasta nu este foarte mare. Curentul invers pentru diodele de siliciu este cu câteva ordine de mărime mai mic decât pentru cele cu germaniu. Creșterea în continuare a tensiunii inverse la tensiunea de avarie(Eșantioane U) duce la faptul că electronii din banda de valență trec în banda de conducție, există efect zener. În acest caz, curentul invers crește brusc, ceea ce determină încălzirea diodei, iar o creștere suplimentară a curentului duce la defalcarea termică și distrugerea joncțiunii p-n.

Desemnarea și definirea parametrilor electrici principali ai diodelor

Denumirea diodei semiconductoare

După cum am menționat mai devreme, dioda conduce curentul într-o direcție (adică, în mod ideal, este doar un conductor cu rezistență scăzută), în cealaltă direcție nu (adică se transformă într-un conductor cu rezistență foarte mare), într-un cuvânt , are conducere unilaterală. În consecință, el are doar două concluzii. Ele, așa cum s-a obișnuit încă din vremea tehnologiei lămpilor, sunt numite anod(concluzie pozitivă) și catod(negativ).

Toate diodele semiconductoare pot fi împărțite în două grupe: redresoare și speciale. Diode redresoare, după cum sugerează și numele, sunt concepute pentru a redresa curentul alternativ. În funcție de frecvența și forma tensiunii alternative, acestea sunt împărțite în frecvență înaltă, frecvență joasă și impuls. Special tipuri de diode semiconductoare folosesc diferite proprietăți p-n-tranzitii; fenomen de defalcare, capacitatea de barieră, prezența zonelor cu rezistență negativă etc.

Diode redresoare

Din punct de vedere structural, diodele redresoare sunt împărțite în plane și punctiforme, iar în funcție de tehnologia de fabricație, în aliaje, difuzie și epitaxiale. Diodele plane, datorită suprafeței mari a joncțiunii p-n, sunt folosite pentru a rectifica curenți mari. Diodele punctuale au o zonă mică de joncțiune și, în consecință, sunt proiectate pentru rectificare curenti mici. Pentru a crește tensiunea de rupere în avalanșă, se folosesc poli redresoare, formați dintr-o serie de diode conectate în serie.

Se numesc diode redresoare de mare putere putere. Materialul pentru astfel de diode este de obicei siliciu sau arseniura de galiu. Diodele din aliaj de siliciu sunt folosite pentru a redresa curentul alternativ cu o frecvență de până la 5 kHz. Diodele de difuzie cu siliciu pot funcționa la frecvențe mai mari, până la 100 kHz. Diodele epitaxiale din siliciu cu substrat metalic (cu o barieră Schottky) pot fi utilizate la frecvențe de până la 500 kHz. Diodele cu arseniură de galiu sunt capabile să funcționeze în intervalul de frecvență de până la câțiva MHz.

Diodele de putere sunt de obicei caracterizate printr-un set de parametri statici și dinamici. La parametri statici diodele includ:

• cadere de tensiune U CR pe diodă la o anumită valoare a curentului continuu;
• curent invers I arr la o anumită valoare a tensiunii inverse;
• Rău curent continuu eu pr.cf. ;
• impulsiv tensiune inversă U arr. ;

La parametrii dinamici dioda sunt caracteristicile ei de timp și frecvență. Aceste opțiuni includ:

• timp de recuperare t tensiune inversă;
• timpul de creștere curent continuu I out. ;
• frecvența limită fără a reduce modurile diodei f max .

Parametrii statici pot fi setabili în funcție de caracteristica curent-tensiune a diodei.

Timpul de recuperare inversă al diodei tvos este parametrul principal al diodelor redresoare, care le caracterizează proprietățile inerțiale. Se determină prin comutarea diodei de la un curent direct dat I CR la o tensiune inversă dată U arr. În timpul comutării, tensiunea pe diodă capătă valoarea opusă. Datorită inerției procesului de difuzie, curentul din diodă nu se oprește instantaneu, ci în timp t nar. În esență, există o resorbție a sarcinilor la limita joncțiunii p-n (adică o descărcare de capacitate echivalentă). De aici rezultă că pierderile de putere în diodă cresc brusc atunci când este pornită, mai ales când este oprită. Prin urmare, pierderi în diodă creste cu cresterea frecventei tensiunii redresate.

Când temperatura diodei se modifică, parametrii acesteia se modifică. Tensiunea directă pe diodă și curentul ei invers depind cel mai mult de temperatură. Aproximativ, putem presupune că TKN (coeficient de temperatură de tensiune) Upr \u003d -2 mV / K, iar curentul invers al diodei are un coeficient pozitiv. Deci, cu o creștere a temperaturii la fiecare 10 ° C, curentul invers al diodelor cu germaniu crește de 2 ori, iar siliciul - de 2,5 ori.

Diode cu barieră Schottky

Pentru rectificarea tensiunilor mici de înaltă frecvență sunt utilizate pe scară largă diode de barieră Schottky. În aceste diode, în loc de o joncțiune p-n, se folosește o suprafață de contact cu metal. În punctul de contact, apar straturi semiconductoare epuizate în purtători de sarcină, care sunt numite straturi de închidere. Diodele cu barieră Schottky diferă de diodele cu joncțiune p-n în următoarele moduri:

• Mai mult drept jos cadere de tensiune;
• au mai multe revers scăzut Voltaj;
• Mai mult curent mare scurgeri;
• aproape fara plata recuperare inversă.

Două caracteristici principale fac ca aceste diode să fie indispensabile: căderea scăzută a tensiunii directe și timpul rapid de recuperare a tensiunii inverse. În plus, absența unor medii minore care necesită timp de recuperare înseamnă fizic fara pierderi pentru a comuta dioda în sine.

Tensiunea maximă a diodelor Schottky moderne este de aproximativ 1200 V. La această tensiune, tensiunea directă a diodelor Schottky este mai mică decât tensiunea directă a diodelor cu o joncțiune p-n cu 0,2 ... 0,3 V.

Avantajele diodei Schottky devin deosebit de vizibile la redresarea tensiunilor joase. De exemplu, o diodă Schottky de 45 de volți are o tensiune directă de 0,4 ... 0,6 V, iar la același curent, o diodă de joncțiune p-n are o cădere de tensiune de 0,5 ... 1,0 V. Când tensiunea inversă scade la 15 V, tensiunea directă scade la 0,3 ... 0,4 V. În medie, utilizarea diodelor Schottky în redresor face posibilă reducerea pierderilor cu aproximativ 10 ... 15%. Frecvența maximă de funcționare a diodelor Schottky depășește 200 kHz.

Teoria este bună, dar teoria fără practică doar scutură aerul.

Vă sfătuim să citiți

• Caracteristicile psihologice ale copiilor în adolescență
• Transferarea unui copil la o altă școală - procedura și documentele necesare Dacă se transferă un copil la o altă școală
• Chlamydia urogenitală - descriere, cauze, simptome (semne), diagnostic, tratament Tratamentul chlamydia urogenitală
• Beneficiile și semnificația hidroaminoacidului treoninei pentru corpul uman L treonina ce