Здавалка
Главная | Обратная связь

Полупроводниковые диоды



 

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним “p-n”-переходом и двумя выводами. Конструктивно такой диод представляет собой кристалл полупроводника, в котором выполнен “p-n”-переход. Часть поверхности двух различных областей кристалла, образующих переход, покрывают металлической пленкой, к которой приваривают или припаивают внешние выводы.

Конструкция сплавного диода в стеклянном корпусе показана на (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Конструкция сплавного диода.

 

Классификация диодов:

 

Выпрямительные

Стабилитроны

Туннельные

Обращённые

Варикапы

Фотодиоды

Светодиоды

8. Диоды Шоттки

Выпрямительные диоды.

 

Рис.2. Схема включения и вольт-амперная характеристика диода

Диоды подразделяются на точечные и плоскостные.

Плоскостные диоды обладают большей площадью и ёмкостью перехода. Схема замещения диода показана на рис.3.

 

Рис.3.Схема замещения диода.

Так как сопротивление емкости обратно пропорционально частоте напряжения, согласно формуле

,

на высоких частотах сопротивление диода снижается практически до нуля, p-n-переход не работает на этих частотах .

Для снижения паразитной ёмкости p-n-перехода используют точечные переходы, т.е. снижают площадь контакта, которая достигает в СВЧ-диодах порядка 1 мкм2, а граничная частота детектирования – сотен ГГц.

При подаче прямого напряжения (« + » на анод, « - » на катод) на диод до 0,3 В ,ток через диод не протекает.

Это напряжение необходимо для преодоления потенциального барьера контактного перехода. При дальнейшем повышении напряжения ток резко увеличивается и имеет квадратичную зависимость от напряжения.

Дальнейшее повышение напряжения может привести к превышению максимально допустимого значения тока, а температура в области катода, где происходит рекомбинация электронов и дырок, может превысить максимально допустимое значение. В этом случае происходит необратимый процесс теплового пробоя p-n-перехода.

При подаче обратного напряжения, ширина p-n-перехода увеличивается, тем самым ограничивается число инжектируемых электронов из n- в p-область. При достижении UПР происходит электрический пробой (процесс обратимый). При дальнейшем повышении напряжения электрический пробой переходит в тепловой (необратимый процесс).

 

Стабилитроны

 

 

рис.6

 

Принцип действия основан на обратимом электрическом пробое.

При достижении обратного напряжения UОБР=UСТ происходит электрический пробой p-n-перехода, в результате ток через стабилитрон IC резко возрастает (рис.7).

 

 

рис.7

В результате падение напряжения на RБ увеличивается, а на нагрузке RH остается без изменения.

Стабилитроны серии Д814 имеют напряжение стабилизации от 3 до 20 В.

 

 
 

Туннельный диод

 

 

Принцип действия основан на применении так называемого туннельного эффекта.

Используется в быстро переключающих схемах и генераторах. Он обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением на определенном участке ВАХ.

 

рис.8

Согласно закону Ома .

Если повышается напряжение, то ток должен увеличиваться для любого материала. Но при возникновении туннельного эффекта при повышении напряжения от Umin до Umax ток уменьшается (рис.8).

Дифференциальное сопротивление на участке, где проявляется туннельный эффект, имеет отрицательное значение, а соотношение между максимальным и минимальным токами (рис.8).

рис.9

 

Для получения генерации синусоидальных колебаний в контур включают туннельный диод. В результате алгебраическая сумма активных сопротивлений в контуре равна 0. Поэтому в контуре возникают незатухающие колебания. Отрицательное дифференциальное сопротивление получается за счёт эффекта туннелирования электронов из n-области в р-область противоположно направлению основного электрического поля, приложенного к туннельному диоду. В результате общее число электронов, прошедших через сечение p-n-перехода за единицу времени с ростом внешнего напряжения уменьшается.

 

 
 

Обращённые диоды

Обращенные диоды используются для выпрямления малых напряжений, т.е. обратная ВАХ является как бы прямой для выпрямительного диода.

Oбращенный диод при малых напряжениях (до 0,3 В) не пропускает ток в прямом направлении, в то же время в обратном направлении электрический пробой наступает уже при нулевом обратном напряжении.

 

 
 

Варикап

Варикап представляет собой электрически управляемую ёмкость.

Ёмкость, как известно из курса физики, представляет собой зависимость

рис.11

рис.10

 

Т.к. ширина p-n-перехода d зависит от приложенного обратного напряжения Uобр, то при постоянстве абсолютной , относительной диэлектрических проницаемостей материала и площади p-n-перехода, ёмкость варикапа зависит только от d (рис.11).

Под воздействием Uобр регулируется расстояние между p и n областями. Получаем зависимость: при повышении обратного напряжения ёмкость вырикапа падает (рис.10).

В качестве варикапов необходимо применять плоскостные диоды, чтобы увеличить ёмкость. Варикапы используются как подстроенные, электрически управляемые конденсаторы в колебательных контурах.

Ёмкость их порядка десятков пикофарад (пФ). Варикапы применяют для автоматической подстройки частоты колебаний для удержания её в заданных пределах.

 

 
 

Фотодиод

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, у которого обратный ток зависит от освещенности катода. ВАХ (рис.12). Зависимость тока от величины освещенности аналогично зависимости тока от приложенного напряжения для обычного диода рис.12

(выпрямительного), т.е. воздействие электрического и магнитного полей оказывает аналогичное действие.

 
 

Светодиод

Светодиод – полупроводниковый прибор, при протекании прямого тока через который область катода начинает светиться.

При протекании прямого тока I через p-n-переход число электронов, находящихся на внешней орбите атома уменьшается за счёт их перехода на внутренние орбиты. Это сопровождается выделением квантов электромагнитного излучения. При подборе соответствующего полупроводникового материала мы можем выделить излучение с определенной длиной волны.

На практике есть светодиоды, излучающие в областях, начиная с ультрафиолетовой (l<0,4 мкм) и кончая ближней инфракрасной (ИК) - с l до 2 мкм.

При получении излучения в полупроводниковых лазерах используют также данный эффект, но излучение лазера когерентно и монохроматично.

 

 
 

Диод Шотки

Использует контактные явления между полупроводником

рис.13 рис.14

 

и металлом. Эффект Шотки возникает лишь в том случае, когда работа выхода электронов в вакуум из металла больше, чем работа выхода электрона из полупроводника (рис.13).

При контакте полупроводника с металлом за счёт разности энергии выхода электронов из полупроводника диффундируют в область металла, тем самым создают p-n-переход (рис.14). За счёт отсутствия не основных носителей заряда (дырок) в металле переход из открытого в закрытое состояние практически без инерционен (время перехода 1¸2 нс).

 

 

Схема включения диода Шотки при ключевом режиме работы транзистора (рис.15):

 
 

 

рис.15

 

 

Порядок выполнения работы .

 

Внимание! Сменные панели с номерами , расположенными в нижних углах , устанавливаются на коммутирующей плате1. Сменные панели с номерами в верхнем углу устанавливаются на коммутирующей плате 2.

 

1.Дов выполнения работы по снятию вольт-амперной характеристики /ВAX/ диодов необходимо:

а) Д9,КД103 - германиевый и кремниевый диоды;

б) соединительные провода;

в) ГТ - генератор тока 0 ÷ 10 мА;

г) ГНЗ - генератор напряжения 0 ÷ I00 В;

д) АВМ1 - измеритель тока и напряжения /А,В/;

е) АВМ - "-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-"-";

ж) АВО - измеритель , μА , V , Ω.

 

Схема 1 Схема 2

2. Установить сменную панель, произвести монтаж электро-схемы внешним соединительными проводниками для снятия ВАХ , прямой ветви /схема с левой стороны сменной панели/.

 

ГТ "+", соединить с XI

ГТ "-" , соединить с X2

АВМ1 "+" , соединить с X3

АВМ1 "-", соединить с X4

АВМ2 "+", соединить с X5

АВМ2 "-", соединить с X6

 

3. Ручки регулировки ГТ "Грубо", "точно" в –крайнее левое положение. Тумблер "АВМ-АВ0" в положение АВМ .

Предел измерения тока "ABMI" - 0,5 мА .

Тумблер "ABМ-МB" в положение "АВМ2".

Предел измерения напряжения 0,5 В.

 

4. После проверки преподавателем правильности монтажа схемы включения тумблер "Сеть".

Увеличивая прямой ток через диод ручками ГТ "Грубо" , "Точно" от 0 до 10 мА замеряют напряжение m диоде. Данные для германиевого диода Д9 и кремниевого диода Д103 заносятся в таблицу 1. Ток измеряет "АВМ2",напряжения "АВМ2".

Таблица 1.

 

Iпр (мА) 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0
Uпр Д9                    
Uпр КД103                    

 

5. Для снятия ВАХ обратной ветки диодов собирается схема на правой части сменной панели:

АВО "-" соединяется с Х7

АВО "+" соединяется с ХВ

АВМ2 "+" соединяется с Х9

АВМ2 "-" соединяется с Х10

ГН3 "+" соединяется с XII

ГН3 "-" соединяется с XI2

 

6. Pучка регулировки ГНЗ 0 ¸ 100 В в крайнее левое положение.

Тумблер "АВО" на блоке питания в верхнем положении.

Тумблер "АВМ1-АВО" в положение "АВО".

Тумблер "АВМ2-МВ" в положение "АВМ2" предел 10 В.

 

7. После проверки преподавателем правильности монтажа схемы включить тумблер "СЕТЬ". Увеличивая обратное напряже­ние на диоде замеряют ток через диод.

 

Внимание! Чтобы не произошел необратимый пробой диода обратный ток не должен превышать I мА!

 

Ток измеряется "АВО", напряжение "АВМ2 . Данные заносят­ся в таблицу 2.

 

Таблица 2.

 
 


Uобр (В)
Iобр(mA)Д9                    
Ioбр(mA) КД103                    

 

По данным таблиц 1,2 построить ВАХ германиевого и кремниевого диода.

Контрольные вопросы

1. Способы получения p и n типов проводимости ?

2. Физические процессы , протекающие при образовании p-n перехода ?

3. Типы пробоев p-n перехода ?

4. Влияние внешних факторов на ВАХ диода ?

5. Математическая модель идеального и реального диода ?

6. Параметры , характеризующие свойства n/n диода ?

7. Классификация диодов ?

8. Образование емкости p-n перехода и влияние её на частотные свойства диода ?

ЛИТЕРАТУРА

 

  1. Аналоговая и цифровая электроника : Учебник для вузов //Ю.Ф.Опадчий , О.П.Глудкин ,А.И.Гуров / Под ред.О.П.Глудкина .-М “Радио и связь”, 1996-768с.
  2. Пряшников В.А.Электроника: Курс лекций .-СПБ.:Корона-принт ,1998-400с.
  3. Тугов Н.М.,Глебов Б.А.,Чарыков Н.А.:Полупроводниковые приборы.-M.Энергоатомиздат, 1997.-2806c.
  4. Лачин В.И.,Савёлов Н.С. Электроника: Учебное пособие. 3-е изд.,перераб. И доп.-Ростов н/Д: изд-во “Феникс”,2002,-576с.
  5. Электроника:Справочная книга //Ю.А.Быстров, Я.М.Великсон, В.Д.Вогман и др./ под.ред.Ю.А.Быстрова.- CПБ.: Электроатомиздат, 1996.544с.

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.