Типы полупроводниковых диодов.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним Р-N переходом и двумя выводами выводами, с помощью которых он соединяется с внешней электрической цепью.

Электрод присоединенный к P-области называют анодом ( по аналогии с вакуумным диодом) а вывод присоединенный к N- области полупроводника называют катодом.

Если анод имеет положительный потенциал относительно катода U_ак > 0, то, говорят что, диод «работает», «смещен», «включен» в прямом направлении, к нему «приложено» «прямое» напряжение и через него течет «прямой» ток. Если анод имеет отрицательный потенциал относительно катода, то диод «работает», «смещен», «включен» в обратном направлении и через него течет «обратный» ток.

Вольт амперная характеристика (В А Х ) диода – это зависимость тока протекающего через диод от разности потенциалов между анодом и катодом Ia=f(Uak)

При включении p-n перехода под прямое напряжение Uпр сопротивление p-n перехода Rпр снижается, а ток Inp возрастает. При обратном напряжении Uобр обратный ток Iобр неосновных носителей заряда оказывается во много сотен или тысяч раз меньше прямого тока. При напряжении U > Umax (см. точку на вольт амперной характеристике (ВАХ) диода) начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока Iобр , соответствующий электрическому пробою p-n перехода, переходящий (если не ограничить ток) в необратимый тепловой пробой (после точки «а» на рис.).

Из ВАХ диода следует, что он обладает неодинаковой электрической проводимостью в прямом и обратном направлениях его включения. Поэтому полупроводниковые диоды используют в схемах выпрямления переменного тока.

Так как напряжение на полностью открытом диоде не превышает 0,5…0,7 В, то для приближенных расчетов диод рассматривают как вентиль: «открыт — закрыт», имеющий ВАХ, изображенную на рис:

Анализ типовых ВАХ диодов (см. рис. 1.3) показывает, что прямое напряжение Uпр на германиевом диоде почти в два раза меньше, чем на кремниевом, при одинаковых значениях прямого тока Iпр, а обратный ток Iобр кремниевого диода значительно меньше обратного тока германиевого при одинаковых обратных напряжениях Uобр. К тому же, германиевый диод начинает проводить ток при ничтожно малом прямом напряжении Uпр, а кремниевый – только при Uпр = 0,4…0,5 В.

Исходя из этих свойств, германиевые диоды применяют как в схемах выпрям

ления переменного тока, так и для обработки сигналов малой амплитуды (до 0,3 В),

а кремниевые, наиболее распространённые – как в схемах выпрямления, так и в схемах устройств, в которых обратный ток недопустим или должен быть ничтожно мал. К тому же, кремниевые диоды сохраняют работоспособность до температуры окружающей среды 125…150 С, тогда как германиевые могут работать только до 70 С.

В основе классификации диодов лежат различные признаки:

• Вид электрического перехода (точечный, плоскостной);

• Физические процессы в переходе (туннельный, лавинно-пролетный);

• Характер преобразования энергии сигнала (фотодиод, светодиод, магнитодиод и т.д.);

• Диапазон рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ диоды);

• Конструктивно-технологические особенности (диффузионные, эпитаксиальные, Шотки и т.д.);

• Вид применяемого исходного материала для изготовления диодов: кремниевые, германиевые, арсенид - галиеые и т.д.;

• Использованию нелинейных свойств p-n-перехода: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные.

Выпрямительный диод – электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением (условно: при прямом напряжении (Uak >0) - ключ замкнут, при обратном (Uak <0) – разомкнут).

Выпрямительные диоды используют в схемах преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный ток. Как правило, это плоскостные диоды средней и большой мощности.

К маломощным относят диоды с мощностью рассеивания до 0,3 Вт.

К диодам средней мощности - от 0,3 до 10 Вт,

К диодам большой мощности - с мощностью рассеяния _ >10Вт.

Основные параметры выпрямительных диодов:

• Максимальный средний ток (I_{пр. ср. мах}) – определяется допустимым нагревом прибора при приложенном прямом напряжении U_пр.мах.

• Максимально-допустимое обратное напряжение ( U_{обр.мах}) – допустимое напряжение, после которого может произойти пробой диода (электрический и, впоследствии, тепловой).

• Максимальный обратный ток диода (I_об.мах) – ток диода при приложенном к нему U_{обр.мах}

• Максимальная рассеиваемая мощность (Р_мах) – максимальная допустимая мощность, которая может рассеиваться на диоде.

• f_.мах - максимальная частота переключений

Стабилитрон – кремневый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Стабилитроны или опорные кремниевые диоды предназначены для использова_ния в параметрических стабилизаторах напряжения.

Р абочим участком ВАХ является участок участок обратной её ветви, соответствующий области электрического пробоя p-n перехода и ограниченный минимальным и максимальным значениями обратного тока Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем «круче» участок электрического пробоя обратной ветви ВАХ.

При работе в этой области обратное напряжение на стабилитроне Uст незначительно изменяется при относительно больших изменениях тока стабилитрона Iст . Поэтому при изменении входного напряжения U ± ΔU = ±Uб +Uст изменяется в основном напряжение ±Uб=Rб* I на балластном резисторе Rб, а напряжение Uн на нагрузке Rн - почти не изменяется.

При прямом включении стабилитрон может рассматриваться как обычный диод, Однако в связи с повышенной концентрацией примесей напряжение Uпр =0,3_0,4 В мало изменяется при значительных изменениях прямого тока Iпр. Прибор, в котором используется прямая ветвь в схемах стабилизации напряжения, называют стабистором.

Основными параметрами стабилитронов являются:

U_ст - напряжение стабилизации при номинальном значении тока;

I_{ст min} - минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;

I_{ст max} максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;

R_ст - дифференциальное сопротивление, характеризующее изменение напряжения стабилизации при изменении тока: R_ст =U/I

ТКН - температурный коэффициент напряжения: ТКН = (0,2 – 0,4%)/°С

При напряжениях стабилизации менее 7В в стабилитронах используется режим полевого (туннельного ) пробоя, более 15В - лавинный пробой, от 7 до 15В - смешанный пробой. Полевой (туннельный ) и лавинный пробои стабилитронов обратимы если обратные токи через них не превышают I_{ст max.}