10. Полупроводниковые диоды. Типы, вольтамперные характеристики специальных диодов – стабилитрона, туннельного диода, варикапа, диода Шоттки.

Полупроводниковый диод – это прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n-переходов (несколько в случае диодного включения биполярных или полевых транзисторов).

Б ывают выпрямительные (для выпрямления переменного тока, исходя из частоты и формы сигнала – импульсные, высокочастотные и низкочастотные) и специальные (в них используют различные свойства p-n-переходов: явление пробоя, барьерную емкость) группы диодов.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные (большая площадь p-n-переходов – для больших рабочих токов) и точечные (маленькая S – для маленьких токов), а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов – в одной из областей концентрация примеси, определяющая вид проводимости, значительно больше, чем в другой области. Область с высокой концентрацией примеси называется эмиттером, с низкой – базой.

Основные параметры выпрямительных диодов:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода – напряжение, приложенное в обратном включении, которое долгое время может стабильно поддерживать диод без нарушения работоспособности.

2. Средний выпрямительный ток диода – максимально допустимое, среднее за период значение выпрямленного постоянного тока через диод.

3. Импульсный прямой ток диода – допустимое пиковое значение импульса тока при заданной длительности и скважности импульсов.

4. Обратный ток диода – постоянный обратный ток, обусловленный постоянным обратным напряжением.

5. Постоянное прямое напряжение – постоянное прямое напряжение, обусловленное заданным значением прямого тока. Отношение этих величин определяет сопротивление диода по постоянному току в заданной точке ВАХ.

Импульсные диоды

Имею малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад, у выпрямительных – десятки пикофарад) –> уменьшение площади p-n-переходов –> маленькие мощности рассеяния.

Основные параметры:

1. Максимальное импульсное прямое напряжение.

2. Максимально допустимый импульсный прямой ток

3. Время установления – интервал времени от момента подачи импульса прямого напряжения на диод до достижения заданного значения прямого тока в нем.

4. Время восстановления – обратного сопротивления диода.

Стабилитрон

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, работающие в режиме управляемого лавинного пробоя ( лавинный пробой – пробой, связанный с тем, что в сильном электрическом поле носители заряда могут приобретать энергию, достаточную для ударной ионизации кристаллической решётки. Ударной ионизации — физическое явление, при котором «горячий» электрон или «горячая» дырка, набравшие достаточно высокую кинетическую энергию в сильном электрическом поле, ионизуют кристалл и создают в нём электронно-дырочную пару. ).

Рис. ВАХ стабилитрона.

При прямом напряжение на стабилитроне его ВАХ нечем не отличается от ВАХ обычного кремневого диода, причем этот участок ВАХ обычно не используется. У стабилитрона используется участок ВАХ, соответствующий обратному напряжению р-n перехода. Основное применение диода – стабилизация напряжение.

Основные параметры:

1. Напряжение стабилизации (Ucт)– падение напряжения на стабилитроне при протекание заданного тока стабилитрона ( колеблется в диапазоне от 3 до 200 В).

2. Максимально допустимая мощность (Рмакс) – мозность рассеиваемая на стабилитроне (составляет сотни миливатт ).

3. Максимальный ток стабилизации (Imax) – вытекает из 2х преведущих Imax < Рмакс * Ucт.

4. Минимальный ток стабилизации (Imin).

5. Дифференциальное сопротивление (Rст) – сопротивление которые при заданном значение тока на участке пробоя( составляет от единицы до сотен ом).

6. Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКU) – относительное изменение напряжения стабилизации ∆Uст при изменение температуры корпуса на 1 С.

Варикапы

Варикапы – это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость p-n-перехода, которая зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и уменьшается с его увеличением.

Варикапы находят применение в различных электронных схемах – модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой и др.

Вольт-фарадная характеристика варикапа.

Уго варикапа.

Основные параметры:

1. Начальная емкость (С0) – емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении.(десятки-сотни пФ).

2. Коэффициент перекрытия по емкости (Кс) – равный отношению максимальной емкости к минимальной емкости (от нескольких пФ до нескольких десятков пФ).

3. Добротность варикапа (Q) – равная отношению реактивного сопротивления ( электрическое сопротивление, обусловленное передачей энергии переменным током электрическому или магнитному полю и обратно) варикапа к сопротивлению потерь при заданном значении емкости обратного напряжения и заданной частоте.

Туннельные диоды

Туннельный диод – полупроводниковый диод, на ВАХ которого имеется участок с отрицательный дифференциальным сопротивление (участок АВ рисунок 3.10) .

Наличие этого участка следствие проявления туннельного эффекта. уннельный эффект, туннелирование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.

В туннельном диоде туннелирование электронов добавляет горб в вольтамперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50..150.

Основные параметры:

Iп и Uп – пиковые ток и напряжение начала падающего участка;

Iв и Uв – ток и напряжение впадины (конца падающего участка);

Up – диапазон напряжений падающего участка

Диоды Шоттки

В диодах этого типа используется переход металл-проводник. Инжекция неосновных носителей заряда в базу диода отсутствует, так как прямой ток образуется электронами. Накопление заряда в базе не происходит , поэтому время переключения может быть существенно уменьшено. Другая особенность диодов Шоттки – меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжение р-п перехода при тех же токах(инжекция- процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область п/п, где носители – неосновные).

Уго диода Шоттки.