Главная | Обратная связь

Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковим діодом називається електроперетворюваль­ний прилад з одним р-n-переходом і двома зовнішніми виводами від областей кристала з провідностями різного виду. Саме р-n-перехід визначає властивості, технічні характеристики та параметри будь-яко­го напівпровідникового діода. Корпус діода, в якому міститься кристал напівпровідника з р-n-переходом, а також інші конструктивні еле­менти для закріплення кристала в корпусі забезпечують експлуатацій­ні характеристики діода: стійкість при дії нагрівання, вологи, ударних та вібраційних навантажень тощо.

За конструктивно-технологічним принципом діоди, як і р-n-переходи, поділяються на площинні й точкові. Найбільш поширені пло­щинні діоди. Точкові діоди, які мають малу ємність р-n-переходу, використовуються лише в надвисокочастотному діапазоні, але при малих струмах.

Напівпровідникові діоди знаходять широке застосування при роз­в'язанні схемотехнічних питань усіх напрямків промислової електро­ніки. Малі маси та габарити, високий опір зворотному і малий опір прямому струму, висока швидкодія дозволяють застосовувати їх прак­тично в будь-яких виробах сучасної електронної техніки. За призна­ченням напівпровідникові діоди поділяють на випрямні, високочастот­ні та надвисокочастотні, імпульсні, опорні (стабілітрони), чотириша­рові перемикаючі, фотодіоди, світлодіоди та ін.

Випрямні діоди. Найчастіше випрямні діоди застосовують як ви­прямлячі змінного струму низької частоти 50—100 000 Гц. Крім цьо­го, випрямні діоди широко використовують у схемах керування та комутації для обмеження паразитних викидів напруг у колах з індук­тивними елементами, як елементи розв'язки в електричних колах та ін.

В залежності від початкового напівпровідникового матеріалу діо­ди підрозділяють на дві групи: германієві та кремнієві. Останні одер­жали найбільшого поширення, оскільки мають у багато разів менші зворотні струми і більші зворотні напруги порівняно з германієвими діодами, які доцільно застосовувати при низьких напругах, оскільки при однакових струмах спад напруги на германієвому діоді, зміщено­му в'прямому напрямі, менший, ніж на кремнієвому діоді.

Основою випрямного діода є напівпровідниковий кристал, в якому методом сплавлення або дифузії сформований р-n-перехід. Область діодів з низькою концентрацією домішкових атомів має звичайно електронну провідність (провідність n-типу) і її називають б а з о ю. Товщина бази значно більша за товщину високолегованої області з дірковою провідністю (провідністю p-типу), яка межує з базою і яку називають емітером. Монокристал з р-n-переходом вміщують у металевий або коваровий корпус з двома зовнішніми виводами від емітера і бази (відповідно від анода і катода). Це забезпечує захист р-n-переходу від впливу атмосфери. Конструкція випрямного діода се­редньої потужності показана на рис. а його умовне позначення і вольт-амперна характеристика — на рис. .

З порівняння вольт-амперних характеристик реального діода і р-п-переходу (див. рис.) можна зробити висновок про адекват­ність цих характеристик. Пряма і зворотна вітки вольт-амперної ха­рактеристики діода приблизно описуються рівняннями ( ) та ( ). З врахуванням опору базової області r_B точний вираз, що описує пря­му вітку вольт-амперної характеристики діода, можна навести у ви­гляді

i_A=I₀{exp[(U_A-i_Ar_B)/j_T]-1},

 

звідки визначимо диференційний опір у будь-якій точці прямої вітки характеристики

 

R_Д=dU_A/di_A=j_T/(i_A+i₀)+r_{B .}

Оскільки j_т малий, то вже при невеликому прямому струмі ви­конується нерівність j_т/(i_A+I_O)<<r_B, і опір діода визначається лі­нійним опором бази r_B . Тому при невеликому прямому струмі (приб­лизно i_F »100 мА) експоненційна залежність прямого струму пере­ходить у лінійну, що є основною робочою ділянкою характеристики.

Основними параметрами випрямних діодів, що характеризують їх роботу у випрямних схемах, є: середнє за період значення випрям­леного струму i_FAV, який може тривалий час протікати через діод за припустимого його нагрівання; середнє за період значення пря­мої напруги u_FAV, яке однозначно знаходять з вольт-амперної ха­рактеристики при заданому значенні i_FAV ; середнє за період значен­ня зворотного струму 1_FRV при заданому значенні зворотної напру­ги U_R гранична частота f_max діапазону, в межах якого струм ді­ода не зменшується нижче заданого значення.

Важливе значення мають також параметри граничного електрич­ного режиму випрямного діода, а саме: максимально допустима постійна зворотна напруга U_Rmax, яку довгочасно витримує діод, зберігаючи нормальну роботу; максимально допустимий постійний прямий струм I_F(OV) діода.

Випрямні діоди підрозділяють на діоди малої потужності (i_fav 0,3 А), середньої потужності (0,ЗА I_FAV 10 A) і великої потужності (I_FAV>10 A). Останні називають силовими і позна­чають буквою В.

Досить часто на практиці застосовують групове вмикання діодів. Так, при відсутності високовольтного діода можна послідовно ввімкну­ти декілька низьковольтних зразків (на рис. показано послідовне з'єднання трьох діодів, сумарна допус­тима зворотна напруга яких 3U_Rmax перевищує зворотну напругу, що діє в розглянутому електричному колі). Для ліквідації нерівномірності роз­поділу зворотної напруги між послі­довно з'єднаними діодами останні шунтують опорами R_ш= 1 ... 10 кОм, які забезпечують стійкий рівномір­ний розподіл зворотної напруги як в часі, так і зі зміною температури.

Якщо прямий струм в електричному колі перевищує значення, до­пустиме для одного діода, то рекомендується застосувати паралельне ввімкнення діодів (). Однак внаслідок неідентичності прямих віток вольт-амперних характеристик випрямних діодів навіть одного типу струм, що протікає через одну з паралельних віток, може значно перевищувати струми, що протікають в інших вітках паралельного з'єднання діодів. При цьому один з діодів перегрівається, його пробив­на напруга знижується, що викликає подальший розігрів діода за ра­хунок збільшення зворотного струму, і діод виходить з ладу. Таким чином, паралельне з'єднання діодів допустиме лише в тому випадку, коли в кожну вітку послідовно з діодом ввімкнений додатковий опір R_Д , що становить одиниці або частини ома.

У наш час серійно випускається велика номенклатура випрямних стовпів та блоків, що вміщують в одному корпусі сукупності діодів або закінчені схеми випрямлячів. Відповідним з'єднанням зовнішніх ви­водів можна вмикати діоди паралельно або послідовно, створювати схеми мостових однофазних і трифазних випрямлячів та ін.

Високочастотні діоди — це напівпровідникові прилади універсаль­ного призначення, їх застосовують в тих самих електронних пристро­ях, що й випрямні діоди, однак при меншому електричному наван­таженні, а також в модуляторах, детекторах, перетворювачах частоти й інших нелінійних перетворювачах електричних сигналів. Випрямля­чі змінного струму, в яких використовують високочастотні діоди, пра­цюють в широкому діапазоні частот (до кількох сотень мегагерц).

У ранніх розробках вони мали точкові р-п-переходи, в зв'язку з чим до нашого часу за ними збереглася назва точкові. Однак із впровадженням електрохімічного методу виготовлення р-п-переходів ши­рокого застосування набули мікросплавні високочастотні напівпровід­никові діоди з р-п-переходами площинного типу дуже малих розмірів. Порівняно з точковими мікросплавні діоди мають більші допустимі струми і кращі характеристики при зворотному ввімкненні.

Конструкцію типового високочастотного діода показано на рис., а його умовне графічне позначення і вольт-амперну характе­ристику — на рис.. Пряма вітка вольт-амперної характеристи­ки високочастотного діода не відрізняється від відповідної вітки ха­рактеристики випрямного діода (див. рис.). Однак в зворотній вітці характеристики внаслідок малої площі р-п -переходу ділянка насичення відсутня, і зворотний струм з ростом напруги рівномірно зростає за рахунок струмів витоку і термогенерації. Постійний прямий струм точкових діодів не перевищує 50 мА, а допустима постійна зво­ротна напруга становить 150 В. Для мікросплавних діодів ці парамет­ри мають більші значення.

Одним з основних параметрів високочастотних діодів є статична ємність С_д між зовнішніми виводами, яка визначається бар'єрною ємкістю р-п-переходу

 

де e- відносна діелектрична проникність; e₀ - діелектрична про­никність вакууму; N_Д - концентрація домішки п-типу; S - площа р-п-переходу; u_r — зворотна напруга.

Чим менше значення С_Д, тим ширший діапазон робочих частот діо­да. Звичайно С_Д 1 пФ. Інші параметри високочастотних діодів такі самі, як у випрямних.

У діапазоні підвищених частот необхідно враховувати інерційність діода, пов'язану з накопиченням заряду в області бази і емітера по­близу р-п-переходу. Інерційність діода, а також ємність на дуже високих частотах роблять сумірними амплітуди прямого і зворотно­го струмів робочих сигналів, і діод втрачає властивість односторон­ньої провідності. За частотними властивостями високочастотні діоди подиляють на дві групи: 1) f_max 100 МГц; 2) 300 МГц f_max 1000 МГц. На більш високих частотах використовують НВЧ-діоди з дуже малим радіусом точкового контакту (2—3 мкм).

Імпульсні діоди використовують як ключові елементи в пристро­ях імпульсної техніки. Конструкція імпульсних діодів та їх вольт-амперні характеристики такі, як і у високочастотних діодів (). Крім високочастотних властивостей, імпульсні діоди повинні мати мі­німальну тривалість перехідних процесів у момент вмикання та вими­кання. Виготовляються точкові й площинні імпульсні діоди.

Після вмикання прямого струму І_FM (рис.) в базі діода поблизу p-n-переходу виникає надлишкова концентрація неоснов­них носіїв заряду, в результаті чого знижується прямий опір діода, а, отже, напруга на діоді U_FMm перевищує усталену напругу U_Fgr(рис.). Відношення U_FMm/I_FM називають найбільшим імпульс­ним опором R_Mm . Оскільки надлишковий нерівноважний заряд в базі розсмоктується за час, що не менший за час життя неосновних носіїв заряду (час, протягом якого концентрація нерівноважних но­сіїв заряду зменшується в е раз, для германію і кремнію він ста­новить 10... 100 мкс), то напруга на діоді знижується до 1,2U_Fgr за кінцевий інтервал часу, який називають часом встановлення прямого опору (напруги) t_gr. Найбільш кардинальний спосіб зниження t_gr— зменшення товщини бази.

Якщо U_Fgr швидко змінити на зворотну u_r (рис.), то зворотний струм різко зростає до значення I_Rm(рис.) за рахунок того, що накопичені в базі (n-шарі) при протіканні прямого струму дірки втягуються полем р-n-переходу назад в емітер (р-шар). При цьому зворотний опір різко зменшується. В результаті подальшого процесу рекомбінації дірок з електронами, що займає кінцевий відрі­зок часу, концентрація дірок досягає рівноважного значення, а зво­ротний струм зменшується до встановленого значення I₀ . Проміжок часу з моменту припинення прямого струму до моменту, коли зворот­ний струм досягає свого встановленого знечення I₀, називають часом відновлення зворотного опору (струму I₀) діода.

Імпульсні діоди, як і випрямні, характеризуються статичними параметрами i_fav та 1_R , а також параметрами граничного режиму І_Fm та u_rm . Проте основні імпульсні параметри такі: С_д , f_gr та R_Mm, а також струм І_Mт , який може значно перевищувати i_fav , оскільки при короткочасних (обумовлених у довіднику) імпульсах прямого струму можна не побоюватись перегріву діода. Імпульсні параметри покращуються, якщо використати при виготовленні діодів напівпровідникові матеріали з малим часом життя нерівноважних но­сіїв заряду. Суттєве зниження часу життя нерівноважних носіїв за­ряду (до 0,5—0,8 нc) досягається легуванням германію та кремнію золотом (так звані імпульсні діоди із золотою зв'язкою). При цьому також знижуються ємність Сд та зворотний струм діода.

Тепер промисловістю освоений випуск кремнієвих діодних матриць і збірок, що об'єднують один або декілька імпульсних діодів за певною схемою вмикання. Такі матриці і збірки можна застосовувати як ок­ремі функціональні вузли при проектуванні імпульсних та інших схем. Вони випускаються або в пластмасовому корпусі, або без нього і призначені для використання в гібридних мікросхемах із загальною герметизацією.

Стабілітрони (опорні діоди) призначені для стабілізації рівня по­стійної напруги. Такий прилад являє собою площинний напівпровід­никовий діод, на вольт-амперній характеристиці якого (рис.) є ділянка аб зі слабкою залежністю напруги від струму.

Якщо зворотна напруга такого діода перевищує значення u_(br) , відбувається лавинний пробій р-п-переходу. При цьому спостеріга­ється різке зростання зворотного струму при майже незмінному рів­ні зворотної напруги. Це явище використано в стабілітронах, які вми­кають у коло джерела постійної напруги в зворотному напрямі. На рис. в першому квадранті вольт-амперної характеристики по­казане зворотне ввімкнення стабілітрона. Якщо зворотний струм че­рез стабілітрон не перевищує значення 1_{st тах} , то електричний про­бій не призводить де псування діода протягом сотень тисяч годин.

Стабілітрони виготовляють з кремнію. Це зумовлено малим зна­ченням зворотного струму в кремнієвих діодах, що виключає можли­вість їх саморозігріву і теплового пробою р-п-переходів.

Стабілітрони характеризуються такими основними параметрами: напругою стабілізації U_ST - напругою на стабілітроні при протікан­ні заданого струму стабілізації, наприклад I_STnom (рис.). Крім I_ST , вказуються також мінімальне 1_STmin і максимальне I_STmax значення постійних струмів на ділянці стабілізації, при яких забез­печується задана надійність. Перевищення струму I_stтaх призводить до теплового пробою р-n-переходу. Мінімальний струм стабіліза­ції 1_{st тіп} обмежується величиною і нестабільністю зворотного стру­му в передпробійний період. Напруга стабілізації сучасних стабі­літронів лежить у межах 1 - 1000 В, а значення мінімального та максимального струмів стабілізації відповідно в межах 1_stmin» 1...10 мА, I_stmax» 50...2000 A;

диференційним опором стабілітрона в робочій точці на ділянці стабілізації , що визначає ступінь зміни напруги ста­білізації при зміні струму через стабілітрон. На ділянці стабілізації звичайно r_R= 0,5 ... 200 0м;

температурним коефіцієнтом напруги стабілізації , що визначається відносною зміною напруги стабілізації із зміною температури на 1°С.

За напругою стабілізації стабілітрони поділяють на низьковольтні (U_ST < 5,4 В) та високовольтні (U_ST >5,4 В). Рівень напруги стабі­лізації залежить від товщини збідненого шару р-n-переходу, а от­же, ступеня легування кремнію домішкою. Щоб одержати низьковольт­ні стабілітрони, потрібно використати сильно легований кремній з дуже малою товщиною р-n-переходів. Низьковольтну напругу в межах 0,3 ... 1В стабілізують, використовуючи пряму вітку вольт-амперної характеристики кремнієвих діодів, що називаються стабісторами.

На різний характер пробою високовольтних і низьковольтних ста­білітронів вказує знак при a_T . У низьковольтних стабілітронів з під­вищенням температури напруга стабілізації зменшується, у високо­вольтних збільшується, і a_T має негативний знак.

На рис. показана схема, що пояснює принцип роботи найпро­стішого стабілізатора постійної напруги. Якщо вхідна напруга стабілізатора збільшується, то це приводить до збільшення струму через стабілітрон і резистор R_б (R_H= const.). Надлишок вхідної напруги ви­діляється на R_б , а напруга U_вих - на опорі навантаження, що дорів­нює U_ST (навантаження під'єднане паралельно до стабілітрона), зали­шається незмінною. Із зміною опору R_H струм, що протікає через опір R_б , залишається незмінним, але змінюється розподіл струмів між ста­білітроном і навантаженням, а напруга U_вих , як і раніше, зберігаєть­ся незмінною. Для зменшення a_Т послідовно із стабілітроном з'єднують термозалежний опір R_T , наприклад р-n-перехід, зміщений у прямому напрямі.