Емкость р-n перехода

Р-n переход аналогичен конденсатору: 2 нескомпенсированных объемных заряда атомов донорной и акцепторной примеси по обе стороны перехода и между ними запирающий слой, который играет роль диэлектрика, образуют барьерную емкость С_б. Барьерная емкость зависит от величины приложенного напряжения. При повышении U_обр ширина р-n перехода возрастает и С_б уменьшается (рис. 5). При повышении U_пр ширина р-n перехода уменьшается и емкость С_б увеличивается. Кроме того, при приложенном U_пр в р-n переходе возникает диффузионная емкость – С_дифф, которая образована за счет диффузии О.Н. заряда и накопления их в р- и п- областях, достигает дес.тысяч пФ.

Рисунок 18 – График зависимости С_б от U_обр

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами.

По функциональному назначению различают:

1. Выпрямительные диоды.

2. Стабилитроны.

3. Импульсные и высокочастотные диоды.

4. Туннельные диоды.

5. Варикапы.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока частотой 50 Гц в постоянный. Используется основное свойство электронно-дырочного перехода - односторонняя проводимость.

Представляет собой один p-n переход в герметичном корпусе с двумя выводами. Вывод положительной области называется анод, вывод отрицательной – катод.

На рисунке 19 изображена структура выпрямительного диода.

Рисунок 19 – Структура выпрямительного диода

Диод в электрических схемах обозначается в соответствии с рисунком 20.

Рисунок 20 - Изображение диода в электрических схемах

График зависимости между током и напряжением называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Выпрямительный диод имеет нелинейную ВАХ.

Характеристика для прямого включения диода вначале имеет значительную нелинейность, т.к. при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя увеличивается постепенно. При определенном напряжении запирающий слой практически исчезает и далее характеристика становится почти линейной.

При обратном включении ток резко увеличивается. Это происходит за счет резкого увеличения потенциального барьера в p-n переходе, резко снижается диффузионный ток, а ток дрейфа увеличивается. Однако при дальнейшем увеличении обратного напряжения рост тока незначителен.

Нар рисунке 21 приведена вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Рисунок 21 – ВАХ выпрямительного диода

Параметры выпрямительных диодов – это величина, характеризующая наиболее существенные свойства прибора.

Различают: статические и предельные параметры.

Статические: Определяются по статическим характеристикам (см. рисунок 22).

Рисунок 22 – Дополнительные построения для определения статических параметров выпрямительного диода

1. Крутизна вольтамперной характеристики:

S = I / U , мА / В

где I – приращение тока;

U – приращение напряжения.

Крутизна вольтамперной характеристики показывает, на сколько миллиампер изменится ток при увеличении напряжения на 1 вольт.

2. Внутреннее сопротивление диода переменному току.

Ri = U / I , Ом

3. Сопротивление диода постоянному току.

R₀ = U / I , Ом

Параметры предельного режима:

Их превышение приводит к выходу прибора из строя. С учетом этих параметров строится электрическая схема.

1. I_ПР.ДОП - допустимое значение прямого тока;

2. U_{ОБР.ДОП} - допустимое значение обратного напряжения;

3. Р _РАСС - допустимая мощность рассеивания.

Основным недостатком всех полупроводниковых приборов является зависимость их параметров от температуры. С увеличением температуры увеличивается концентрация носителей зарядов и проводимость перехода растет. Сильно увеличивается обратный ток. При увеличении температуры ранее наступает электрический пробой. На рисунке 23 приведено влияние температуры на ВАХ.

Рисунок 23 – Влияние температуры на ВАХ диода

На базе выпрямительного диода можно построить схему простейшего однополупериодного выпрямителя (см. рисунок 24).

Рисунок 24 - Схема простейшего выпрямителя

Схема состоит из трансформатора Т, который служит для преобразования исходного напряжения в напряжение нужной величины; Выпрямительного диода VD, который служит для выпрямления переменного тока, конденсатора С, который служит для сглаживания пульсаций и нагрузки R_н.

Рассмотрим принцип работы по диаграммам (см. рисунок 25).

Рисунок 25 – Временные диаграммы работы схемы

При положительной полуволне на входе схемы выпрямителя напряжение для диода VD является прямым, и диод открывается, пропускает ток через нагрузку R_Н. В это время начинает заряжаться конденсатор С.

При отрицательной полуволне диод закрывается, ток через него не проходит, но в нагрузке существует ток, который образован разряжающимся в это время конденсатором. Далее процесс повторяется.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ДИОДОВ

Однотипные диоды можно соединить между собой последовательно и параллельно. Для выпрямления больших напряжений, с тем чтобы обратное напряжение на каждом диоде не превысило предельного, применяется последовательное соединение выпрямительных диодов. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных элементов диодов одного и того же типа, на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диода. Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами применяют шунтирование (параллельное включение) диодов резисторами.

Рисунок 26 – Последовательное включение диодов

Для выпрямления большого тока прибегают к схеме параллельного включения диодов. Диоды могут иметь различные прямые сопротивления. Для уравнивания токов на каждом последовательно каждому диоду включается резистор.

Рисунок 27 – Параллельное включение диодов

Последовательное и параллельное соединение диодов образуют так называемые выпрямительные столбы. Выпускают также выпрямительные блоки диодов, соединенных по разным выпрямительным схемам.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТАБИЛИТРОНЫ

Стабилитрон – кремниевый полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения в цепи постоянного тока.

Принцип стабилизации заключается в том, что при изменении напряжения источника питания, в определенных пределах, напряжение в нагрузке должно оставаться постоянным. Это необходимо для устойчивой работы аппаратуры.

Стабилитрон включается в схему под обратное напряжение. Работает в режиме электрического пробоя, где напряжение слабо зависит от приложенного тока – основное свойство стабилизации.

Условное обозначение стабилитрона приведено на рисунке 28.

Рисунок 28 – Условное обозначение стабилитронов в схемах

Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 29.

Вольтамперная характеристика стабилитрона при обратном включении имеет большую крутизну. В пределах участка 1-3 небольшое изменение обратного напряжения оказывает значительное изменение тока.

Рисунок 29 – ВАХ стабилитрона

Точка 1 соответствует минимальному значению тока при обеспечении режима электрического пробоя.

Точка 2 – среднее значение тока.

Точка 3 – максимально допустимое значение тока стабилизации, ток равен максимальной рассеиваемой на стабилитроне.

Параметры стабилитрона: