2.3.1.Краткая теория.

Указание. Перед выполнением работы необходимо полностью прочитать «Ведение».

2.3.1.1. Основные типы диодов.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами.

Различные типы полупроводниковых диодов отличаются друг от друга как по своим свойствам и назначению, так и по конструкции. Полупроводниковые диоды бывают плоскостные, и точечные. В плоскостных диодах линейные размеры перехода, определяющие его площадь, значительно больше толщины. В точечных - линейные размеры меньше, чем характеристическая длина,, определяющая физические процессы в диоде (например, - толщина области пространственного заряда и др.).

Независимо от технологии изготовления диоды по назначению делятся на следующие основные группы: выпрямительные, высокочастотные, сверх высоко частотные, импульсные, стабилитроны, варикапы, туннельные фотодиоды и светодиоды. Рассмотрим подробнее некоторые из них.

2.3.1.2. Выпрямительные (силовые) диоды (обозначения в схемах, стрелка указывает прямое направление тока)

Выпрямительным полупроводниковым диодом называется прибор, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Это плоскостные диоды с относительно большой площадью р - n перехода. Их действие основано на выпрямляющих свойствах р - n перехода.

В качестве основных материалов для производства силовых диодов используются кремний, германий и селен. Наиболее распространенными являются диоды из кремния, т.к. они хорошо работают в широком диапазоне температур и имеют низкое значение обратного тока. В то же время прямое напряжение у кремниевых диодов больше, чем у германиевых. Силовые диоды используют для питания всех видов радиоустройств, электролизных ванн, электропечей в металлургии и т.д. Они отличаются от других выпрямительных устройств высоким коэффициентом полезного действия (до 98%), широким диапазоном мощностей и длительностью службы.

2.3.1.3. Стабилитроны.

Рис.11. Вольт - амперная характеристика стабилитрона.

Стабилитроны или, как их еще называют, опорные диоды, предназначены для стабилизации напряжения питания различных радиотехнических и электронных устройств, схем автоматики и управления счетно-решающими машинами. Его стабилизирующее действие основано на использовании электрического пробоя на обратном участке вольт - амперной характеристики (рис.11). Электрический пробой происходит при некотором значении обратного напряжения. Ток при этом резко возрастает, а напряжение практически не меняется.

Различают электрический и тепловой пробой р-n перехода. Электрический пробой бывает лавинным м туннельным. Туннельный пробой возникает в очень узких р-n переходах. Сильное электрическое поле создает условие для перехода валентных электронов из Р-области непосредственно в зону проводимости n-области вследствие туннельного эффекта. (Более подробные сведения о туннельном эффекте приводятся ниже.)

Лавинный пробой является результатом ударной ионизации атомов кристалла. При достаточном обратном напряжении носители заряда попавшие в область р-n перехода, под действием сильного электрического поля приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. Образовавшиеся новые носители заряда в свою очередь ионизируют атомы, что приводит к лавинообразному нарастанию тока. Лавинный пробой возникает в р-n переходах, толщина которых больше средней длины свободного пробега носителей между их очеред­ными столкновениями с узлами кристаллической решетки.

Тепловой пробой р-n перехода наступает в результате нарушения равновесия между выделяемым в p-n переходе и отводимым теплом. В результате нагрева р-n, перехода его сопротивление уменьшается, выделяемая мощность растет, при этом происходит самопроизвольный лавинообразный рост температуры, что приводит к разрушению р-n, перехода.

В низковольтных стабилитронах, изготовляемых из сильнолегированного кремния, происходит туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны изготовляются на основе слаболегированного кремния, поэтому их действие основано на лавинном пробое. В германиевых диодах электрический пробой быстро переходит в тепловой. Тепловой провой не используется для стабилитронов, Т.к. при этом не получается высокой надежности прибора.

Простейшая схема использования стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения изображена на рис.12.

Рис.12. Схема включения стабилитрона.

При увеличении входного напряжения резко уменьшается сопротивление стабилитрона, вследствие чего избыточное напряжение падает на сопротивлении гасящего резистора R_г, а напряжение на стабилитроне и на параллельно включенной нагрузке практически остается неизменным.

1) напряжение стабилизации U_cm;

2) дифференциальное сопротивление R_cm в области пробоя

(27)

Этот параметр характеризует основное свойство стабилитрона. Чем меньше Rcm, тем лучше осуществляется стабилизация;

3) Максимальный и минимальный токи стабилизации;

4) Температурный коэффициент напряжения

(28)

показывающий относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока.