1.2 Напівпровідникові діоди

1.2.1 Загальні відомості

Напівпровідниковими діодами називаються напівпровідникові прилади з одним р-n переходом і двома виводами, у яких використовуються властивості переходу.

Класифікація й умовно-графічне позначення напівпровідникових діодів наведені в таблиці 1.2 Усі напівпровідникові діоди діляться на два класи: крапкові й площинні.

У крапковому діоді використовується пластина германія або кремнію з електропровідністю n-типу товщиною 0,1-0,6 мм і площею 0,5-1,5 кв.мм. Такі діоди використовують у високочастотних приладах.

У площинних діодах р-n перехід утворюється двома напівпровідниками з різними типами електропровідності при цьому площа переходу напівпровідників різних типів лежить у межах від сотих часток мікрометра до декількох квадратних сантиметрів.

Випрямним діодом називають напівпровідниковий діод, що призначений для перетворення змінного струму в постійний.

Напівпровідниковий стабілітрон - напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою мало залежить від струму і який служить для стабілізації напруги.

Таблиця 1.2 – Умовне графічне позначення напівпровідникових

діодів.

Назва	Умовне графічне позначення	Характеристики
1	2	3
Випрямний

Продовження таблиці 1.2

1	2	3
Стабілітрон		Iпр Iзв Uпр Uзв
Тунельний
Звернений
Фотодіод
Світлодіод
Варікап

1.2.2 Характеристики, параметри, область застосування

Випрямний діод

Завдяки великій площі переходу прямий струм площинних діодів складається від одиниці до тисяч амперів. Звичайно, до діода прикладається напруга не більше 1 В. При цьому щільність струму в напівпровіднику досягає 1-10 А/мм, що викликає деяке підвищення температури напівпровідника. Для збереження працездатності германієвого діода його температура не повинна перевищувати 85град.С. Кремінні діоди можуть працювати при температурі до .

Для зменшення нагрівання потужних діодів прямим струмом застосовують спеціальні способи охолодження; монтаж на радіаторах, обдування й т.п.

Як правило, напівпровідникові діоди допускають 50-ти кратне перевантаження по струму протягом 0,1 с.

При подачі на напівпровідниковий діод зворотної напруги в ньому з'являється незначний зворотний струм, обумовлений рухом неосновних носіїв заряду через р-n перехід. При підвищенні температури р-n переходу кількість неосновних носіїв заряду збільшується, тому зворотний струм діода росте.

Вольтамперна характеристика випрямного діода приведена на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 - Вольтамперна характеристика випрямного діода

У випадку прикладення до діода великої зворотної напруги може відбутися лавинний пробій р-n переходу, зворотний струм при цьому різко збільшується, що викликає, перегрівши діода, подальший ріст струму й, як наслідок, тепловий пробій і руйнування р-n переходу. Більшість діодів може надійно працювати при зворотній напрузі, що не перевищує 0,7 - 0,8% пробивної напруги. Навіть короткочасне підвищення напруга над величиною пробивної напруги приводить до пробою р-n переходу й ушкодженню діода.

Основні параметри випрямного діода:

• пряма напруга , що нормується при деякому прямому струмі ;

• максимально припустима зворотна напруга діода ;

• зворотний струм діода , що нормується при деякій зворотній напрузі .

Таблиця 1.3 - Значення параметрів випрямних діодів

Тип діода	Припустимий зворотний струм Ізвmax, А	Припустима зворотна напруга Uзвmax, В	Зворотний струм Ізв, мкА
Малопотужний	0,1 ... l,0	200... 1000	10... 200
Потужний	1... 2000 .	200... 4000	1000 ... 5000
Імпульсний	0,01...5	10... 100	0,1...50

Принцип роботи випрямного діода розглянемо на прикладі однопівперіодного випрямляча.

На рисунку 1.5-а і б наведена схема однопівперіодного випрямляча й асові діаграми його роботи. У позитивний напівперіод діод включений у провідному напрямку й падіння напруги на діоді у межах 1В, а напруга, що залишилася, прикладена до резистора R.

У негативний напівперіод діод включений у непровідному напрямку, у ланцюзі не протікає струм, і вся вхідна напруга прикладена до діода.

а) б)

Рисунок 1.5 - Схема однопівперіодного випрямляча

Імпульсні діоди знайшли широке застосування в малопотужних схемах промислової електроніки й автоматики. Вимоги, які ставляться до цих діодів, пов'язані із забезпеченням швидкої реакції приладу на імпульсний характер підведеної напруги — малим часом переходу діода від закритого положення до відкритого й навпаки.

Стабілітрон

Вольт-амперна характеристика напівпровідникового стабілітрона приведена на рис. 1.6.

I_пр

U_пр

U_зв

I_зв

Рисунок 1.6 - Вольтамперна характеристика напівпровідникового стабілітрона

В області пробою напруга на стабілітроні U_CT тільки незначно змінюється при більших змінах струму стабілізації . Тому характеристику стабілітрона використовують для одержання стабільної напруги, наприклад, у параметричних стабілізаторах напруги.

Головні характеристики стабілітрона:

• напруга на ділянці стабілізації ;

• мінімальний струм стабілізації ;

• максимальний струм стабілізації ;

• температурний коефіцієнт напруги на ділянці стабілізації

.

Напруга стабілізації сучасних стабілітронів лежить в межах В і залежить від товщини запірного шару р-n переходу. Ділянка стабілізації перебуває на характеристиці стабілітрона від до , мА, мА. Значення мінімального струму відділено нелінійною ділянкою характеристики стабілітрона, значення максимального струму стабілізації припустимою температурою напівпровідника.

На ділянці стабілізації динамічний опір , для більшості стабілітронів Ом. Важливим параметром стабілітрона є температурний коефіцієнт напруги , що показує на скільки відсотків збільшиться напруга стабілізації при зміні температури напівпровідника на 1⁰С для більшості стабілітронів ⁰С. При цьому негативним володіють стабілітрони з низькою напругою стабілізації .

Стабілізацію постійної напруги можна також одержати за допомогою діода, включеного в прямому напрямку.

Стабілітрони допускають послідовні включення, при цьому загальна напруга стабілізації дорівнює сумі напруг стабілітронів:

Паралельне з'єднання стабілітронів неприпустимо, тому що з усіх паралельно з'єднаних стабілітронів струм буде тільки в одному стабілітроні, що має найменшу напругу стабілізації.

Принцип дії стабілітрона розглянемо на прикладі генератора однополярної (рис.1.7) трапеціїдальної імпульсної напруги, яка одержується із синусоїдальної напруги. У позитивний напівперіод на стабілітрон подається зворотна напруга, і до величин напруги пробою стабілітрона вся напруга прикладається до стабілітрона, тому що струм у ланцюзі дорівнює нулю. Після електричного пробою стабілітрона напруга на стабілітроні залишається без змін і вся вхідна напруга, що залишилася, буде прикладено до резистора.

а) б)

Рисунок 1.7 - Однополярний генератор імпульсів

У негативний напівперіод стабілітрон включений у провідному напрямку, падіння напруги на ньому менше одного вольта, а вхідна напруга, що залишилася, прикладена до резистора (рис1.7, а).

На рис.1.7, б показаний розрахунок схеми для амплітудних значень напруг. Принцип роботи схеми пояснюється часовими діаграмами. Можна показати, що при зміні величини вхідної напруги після пробою стабілітрона величина напруги на стабілітронах залишається без змін. Ця особливість використовується в параметричних стабілізаторах постійної напруги.