1.2. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод (ПД) представляет собой двухэлектродный прибор, действие которого основано на использовании электрических свойств p-n-перехода или контакта металл-полупроводник. К этим свойствам относятся: односторонняя проводимость, нелинейность вольтамперной характеристики, наличие участка вольтамперной характеристики с отрицательным сопротивлением, резкое возрастание обратного тока при электрическом пробое, существование емкости p-n перехода. В зависимости от того, какое из свойств p-n-перехода используется, полупроводниковые диоды могут быть применены для различных целей: выпрямления, детектирования, преобразования, усиления и генерирования электрических колебаний, а также для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и в качестве переменных реактивных элементов.

Большинство диодов выполнены на основе несимметричных p-n-переходов. Одна из областей диода, обычно (р⁺) высоколегированна ее называют эмиттер, другая (n-область) - слаболегированная – база. Р-n-переход размещается в базе, т.к. она слаболегирована. Структура, условное обозначение с названием выводов диода и его схема замещения показаны на рис. 1.5. Между каждой внешней областью полупроводника и ее выводом имеется омический контакт, который на рис.1.5,а показан жирной чертой. Схема замещения диода учитывает: R_р-n – сопротивление p-n перехода, С_р-n - емкость p-n перехода и R_б – объемное сопротивление области базы.

В зависимости от технологии изготовления различают: точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др.

По функциональному назначению диоды делятся: выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, варикапы, тунельные и обращенные, а также СВЧ-диоды и др.

р+>>nn р+ n	Катод Анод
а	б	в
Рис.1.5. Структура (а), условное обозначение (б) с названием выводов и схема замещения (в) диода.

ВАХ диода имеет ряд отличий от вах p-n - перехода. В диодах нельзя пренебрегать удельным сопротивлением базы, что приводит к смещению прямой ветви вправо и возрастанию не по экспоненте, а по линейному закону.

Вторым отличием реального p–n-перехода от идеализированного является наличие в обедненном слое процессов генерации и рекомбинации носителей заряда. Поэтому при обратном включении ток через переход не постоянен, а зависит от приложенного к переходу напряжения (рис.1.6).

Рис. 1.6. Отличие ВАХ реального p–n-перехода от идеализированного

Третье отличие заключается в присутствии явления пробоя при обратном включении p–n-перехода.

Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления используется основное свойство диода – односторонняя проводимость. Для выпрямления больших токов выпрямительные диоды имеют большую площадь контакта р и п. Такие диоды обладают большой барьерной емкостью, их емкостное сопротивление X_c=1/(ωC) с ростом частоты уменьшается и закорачивает (шунтирует) сопротивление перехода r_p-n, в результате чего выпрямление не выполняется, но это не существенно, т.к. такие диоды используют в низкочастотных схемах. Основные параметры выпрямительных диодов (рис. 1.8):

Максимальный допустимый прямой ток I_пр.max – значение, которого ограничивается разогревом p-n - перехода и зависит от площади p-n- перехода.

Максимальное прямое напряжение U_пр.._ср — прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого прямого тока.

_Обратный ток I_обр..р — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр..mах} – максимально допустимое обратное напряжение, которое может выдержать диод в течение длительного времени без нарушения его работоспособности (до наступления пробоя p-n перехода), U_обр.max =(0,5 - 0,8) U_проб .

Максимальная частота f_max – предельная частота, на которой может работать диод, сохраняя свою работоспособность. Предельная рабочая частота выпрямительного диода связана с ёмкостью диода.

.

	Uобр		(6) (7)
Рис.1.7. ВАХ характеристика выпрямительного диода с обозначением параметров.	Рис. 1.8. Определение дифференциального Rдиф и статического R0 сопротивлений выпрямительных диодов.

Средняя рассеиваемая мощность диода Р_{ср Д} – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода. Она составляет 80 - 100 °С для германиевых диодов и 150 - 200 °С для кремниевых..

Минимально допустимая температура диода – -(60  70)°С.

Пример расчета статических R₀ и дифференциальных R_диф сопротивлений диода при прямом и обратном смещении по ВАХ для заданной рабочей точки О приведен на рис. 1.8.

На рис.1.9 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Работа выпрямителя происходит следующим образом. Если генератор вырабатывает синусоидальные напряжение,

e=Emsinωt,

(8)

то в течение положительного полупериода напряжение для диода является прямым и через резистор протекает ток, который создает на резисторе падение напряжения U_вых._. В следующий отрицательный полупериод напряжение для диода является обратным, тока практически нет и, следовательно, U_вых=0. Таким образом, через диод и R_Н протекает выпрямленный пульсирующий ток. Он создает на резисторе R_Н пульсирующее выходное напряжение U_вых.

На рис.1.9 приведены графики, иллюстрирующие процессы в выпрямителе. Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение U_ср (за полупериод):

Uср = Umax / π = 0,318Umax.

(9)

Рис. 1.9. Схема и принцип работы выпрямителя с полупроводниковым диодом

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки. Стабилизация – поддержание напряжения постоянным во времени. Принцип действия стабилитрона основан электрическом пробое p-n-перехода, за счет которого на обратной ветви ВАХ (рис.1.10а) имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока. По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые.

Рис 1.10 Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а) и его условное обозначение (б) и схема параметрического стабилизатора напряжения (в).

Основные параметры стабилитрона:

номинальное напряжение стабилизации U_{ст ном} - напряжение на стабилитроне в номинальном режиме;

минимальный ток стабилизации I_ст.min - наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив; Номинальный ток стабилизации I_ст.ном; максимально допустимый ток стабилизации I_ст.max - наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.

Дифференциальное сопротивление R_диф - отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации: R_диф=U_ст /I_ст (см. рис. 1.10,а).

максимально допустимую рассеиваемую мощность Р _max .

Cтабисторы - это кремневые диоды в которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. В отличие от стабилитронов они имеют малое напряжение стабилизации (~0,6 В) и отрицательный ТКН.

Схема параметрического стабилизатора показана на рис.1.10,в. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. В режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Токоограничительное сопротивление R_огр служит для установления и поддержания правильного режима стабилизации. Обычно R_огр рассчитывают для средней точки ВАХ стабилитрона (рис.1.10):

Rогр = (Епит – Ucт.ном) / (Iст.ном – Iн)

(10)

где Е_пит = 0,5(Е_min + Е_max) – среднее напряжение источника Е_пит; I_ст.ном– средний ток стабилизации; I_н= U_cт.ном / R_н - ток нагрузки.

Эффективность стабилизации напряжения характеризуют коэффициентом стабилизации. Он равен:

,

(11)

где ΔЕ- изменение напряжения на входе стабилизатора; ΔU_ст- изменение напряжения на выходе стабилизатора. Практически К_ст равен нескольким десяткам.