Лекція № 8

Тема 2.6 Напівпровідникові діоди

Будова, призначення, умовно-графічне зображення. Параметри та маркування

Напівпровідникові діоди - це НП прилади, виготовлені на основі дво­шарових НП структур і які використовують властивості р-п переходу.

Широко розповсюджені випрямні діоди, дія яких базується на викорис­танні вентильних властивостей р-п переходу.

Напівпровідниковим діодом називають напівпровідниковий придад з одним р—n-переходом і двома виводами (рис. 10.9).

Класифікують діоди за такими ознаками:

основним напівпровідниковим матеріалом: кремнієві, германієві, арсенід—галієві;

фізичною природою процесів: фотодіоди. світлодіоди та ін.;

призначенням: випрямні, імпульсні, стабілітрони;

технологією виготовлення: сплавні, дифузійні та ін.;

типом переходу: точкові і площинні.

На електричних схемах напівпровідниковий діод зображається так, як показано на рисунку 10.9 і позначається VD.

Найважливішою характеристикою діода, яка наочно ілюструє його власвості, є його вольт амперна характеристика. Якщо до р—n-переходу прикласти напругу у прямому напрямі (рис. 10.10), діод відкриється і виникне відносно великий струм. Залежність між прямою напругою і прямим струмом зображається прямою віткою вольт-амперної характеристики. Пряма напруга на діоді становить близько 0,7 В для кремнієвого і близько 0,3 В для германієвого діодів.

Якщо прикласти напругу зворотної полярності то діод закривається і в ньому спостерігається дуже малий зворотний струм. Цей струм майже не залежить від зворотної напруги, що зображається зворотною віткою вольт-амперної характеристики.

Випрямні діоди призначені для перетворення змінного струму в пульсуючий струм однієї полярності в некерованих випрямлячах (розд. 14), в яких використовується властивість однобічної провідності діода.

Структура та умовне позначення діода, а також ВАХ потужного ви­прямного діода наведені на рис. 2.3.

Рис. 2.3 - Структура та умовне позначення (а) і ВАХ (б) випрямного діода Ці діоди призначені для випрямлення змінного струму низької частоти. Основними параметрами випрямних діодів є:

- граничний прямий струм діода І_пр - максимально допустиме се­реднє значення струму через діод у прямому напрямку за визначених умов охолодження, у сучасних діодів I_пр = (0,1 ÷ 2200) А;

- максимально допустимий прямий струм діода (імпульсний) I_{пр max}, становить (10 ÷ 50)I_пр ;

- прямий спад напруги U_пр, тобто напруга на діоді при граничному прямому струмі І_пр, для діодів з кремнію становить (0,6 ÷ 0,8) В;

- максимально допустима зворотня напруга U_{зв max} , що дорівнює максимально допустимому амплітудному значенню зворотньої напру­ги, яке не призводить до виходу з ладу приладу за визначених умов охолодження, U_{зв тах} = (50 ÷ 3000) В.

Виготовляються випрямні діоди переважно із кремнію (у перспек­тиві - із арсеніду галію, як більш термостійкого).

Найпростіша схема ви­прямлення напруги змінно­го струму із застосуванням випрямного діода наведена на рис. 2.4.

НП діод, на якому напру­га в зоні електричного про­бою майже не залежить від струму, називається стабі­літроном. Як постає з ВАХ, наведеної на рис. 2.5, в зоні пробою напруга на стабілітроні майже не за­лежить від струму через нього I_ст .

Стабілітрони викорис­товують для стабілізації напруги. Щоб запобігти тепловому пробою, їх кон­струкція забезпечує ефек­тивне відведення тепла.

Стабілітрон — це напівпровідниковий діод , принцип роботи якого ґрунтується на тому, що зворотна напруга на р- п -переході в діапазоні електричного пробою майже не змінюється у разі значної зміни струму. На електронних схемах стабілітрон зображується так, як показано на рисунку, а.

Явище електричного пробою р— п -переходу полягає в тому, що у випадку збільшення зворотної напруги на р- п -переході до деякого значення С/_(І неосновні носії заряду набувають енергію, достатню для ударної іонізації атомів напівпровідника. У р—n-переході починається лавиноподібна генерація носіїв заряду — електронів і дірок, що спричиняє різке зростання зворотного струму через р— n-перехід за умови майже незмінної зворотної напруги. Робочою ділянкою є ділянка зворотної вітки характеристики р—n-переходу (ab на рис. 10.11). До джерела напруги стабілітрон вмикається у зворотному напрямі послідовно з баластним резистором R-, який призначений для обмеження струму у колі (рис. 10.12).

Стабілітрони застосовуються у схемах стабілізаторів напруги і струму, у стабілізованих джерелах напруги, а також для побудови обмежувачів напруги

Основними парамет­рами стабілітрона є:

- напруга стабілізації II , що становить від 1 до 1000 В;

- динамічний опір на ділянці стабілізації (характеризує зміну величи­ни напруги на приладі зі змінами струму крізь нього)

(2.3)

що складає від одиниць до десятків Ом;

- мінімальний струм стабілізації I_{ст min} — мінімальний струм, при яко­му прилад гарантовано знаходиться в режимі стабілізації - складає одиниці міліампер;

- максимальний струм стабілізації І_{ст max} - максимально допусти­мий струм через прилад, досягає (0,02 ÷ 1,5) А.

Найпростіша схема стабілізації наведена на рис. 2. 6.

Тунельний діод - це НП прилад, у якого специфічний тунельний ефект призводить до появи на ВАХ при прямій напрузі ділянки негативної провідності - штрихо­ва лінія на рис. 2.7 (там же наве­дено умовне позначення приладу). Як робоча використовується пря­ма гілка ВАХ.

Основними параметрами ту­нельного діода є:

- струм піку I_п, що складає (0,1 ÷ 100) мА;

- відношення струму піку I_п до струму западини I_з

Тунельні діоди - швидкодіючі НП прилади, що застосовуються в генераторах високочастотних коли­вань та швидкодіючих імпульсних перемикачах.

Для роботи в високочастотних та імпульсних пристроях призначені та­кож відповідно високочастотні та імпульсні діоди, що мають малу ємність - мінімальну тривалість перехідних процесів при вмиканні та вимиканні.

Фотодіоди - фотоелектричні прилади з внутрішнім фотоефектом, який полягає у тому, що під дією світлової енергії відбувається іонізація атомів основної речовини та домішки. Як наслідок - струм при зворот­ньому вмиканні зростає.

Світлодіоди - перетворюють енергію електричного поля в нетеплове оптичне випромінювання. При протіканні струму через діод з ар­сеніду галію рекомбінація носіїв заряду супроводжується не тільки ви­діленням тепла, як, наприклад, у кремнієвого діода, а ще й квантів світла.

У варикапа при змінах величини зворотної напруги змінюється ємність, завдяки чому він може застосовуватися, наприклад, для авто­матичного налаштування контурів радіоприймача або телевізора на по­трібну станцію чи канал.

Умовні позначення фото-, світлодіода та варикапа наведені на рис. 2.8.

Рис. 2.8 - Умовні позначення фотодіода (а), світлодіода (б), варикапа (в)

Варикапи — напівпровідникові діоди (рис. 10.13), в яких використовується бар'єрна ємність закритого р— n-переходу, значення якої залежить від прикладеної до діода зворотної напруги. Основною характеристикою варикапа є його вольт-фарадна характеристика є залежність ємності варикапа від прикладеної зворотної напруги.

Варикапи застосовуються в радіоприймачах, системах дистанційного ке­рування для автоматичного налаштування частоти електричним способом