Лекция №4

Полупроводниковые диоды

На рисунке ниже показано условное графическое обозначение полупроводникового диода на принципиальных схемах.

Классификация полупроводниковых диодов

- Выпрямительные диоды;

- Диоды Шоттки;

- Импульсные диоды;

- СВЧ диоды;

- Варикапы;

- Диоды стабилизирующие напряжение (стабилитрон, двуханодный стабилитрон, стабистор);

- Светодиоды;

- Фотодиоды;

- Оптопара (светодиод+фотодиод);

- Тоннельный диод.

Условные графические обозначения диодов разных типов

Принцип работы диода

В основе принципа работы полупроводникового диода лежит p-n переход. Анод соответствует p области перехода, а катод – n области. Про физику работы p-n перехода можно почитать в книге Е.А. Москатова “Электронная техника”. В этой лекции словосочетания диод и p-n переход будут использоваться в качестве синонимов. Каждый p-n переход может работать в качестве диода, но не каждый диод является p-n переходом  Дело в том, что существуют диоды Шоттки, использующие свойства перехода Шоттки (контакт металл-полупроводник).

Если напряжение на аноде больше напряжения на катоде – диод включен в прямом направлении.

Если напряжение на аноде меньше напряжения на катоде – диод включен в обратном направлении.

С увеличением прямого напряжения на диоде, его сопротивление уменьшается, а ток через диод увеличивается. При отсутствии прямого напряжения и тем более при приложении к диоду обратного напряжения (обратного смещения), сопротивление p-n перехода настолько велико, что можно считать его разрывом в цепи. При прямом падении напряжения на диоде равном 0.6-0.7 вольт, сопротивление диода составляет от нескольких десятков до нескольких сотен Ом.

Вышесказанное наглядно подтверждает вольтамперная характеристика полупроводникового диода:

Ток через p-n переход описывается формулой:

где I₀ – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда;

e – основание натурального логарифма;

e’ – заряд электрона;

Т – температура;

U – напряжение, приложенное к p-n переходу;

k – постоянная Больцмана.

–температурный потенциал, при комнатной температуре равный примерно 0,025 В.

Свойства p-n перехода существенно зависят от температуры окружающей среды. При повышении температуры возрастает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок, т.е. увеличивается концентрация неосновных носителей и собственная проводимость полупроводника, что, прежде всего, сказывается на изменении обратного тока. При увеличении температуры обратный ток увеличивается примерно в 2 раза при изменении температуры () на каждые 100С у германиевых и на каждые 7,50С у кремниевых диодов.

Максимально допустимое увеличение обратного тока определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 … 100°С для германиевых диодов и 150 … 200°С – для кремниевых.

Минимально допустимая температура диодов лежит в пределах минус (60 … 70) °С.

При достижении некоторой величины обратного напряжения на диоде, сопротивление диода резко уменьшается и ток через диод сильно возрастает. Это явление называется пробоем p-n перехода. Пробой p-n перехода (диода), в свою очередь может быть обратимым и необратимым. Обратимый пробой используется для стабилизации напряжения при помощи стабилитронов.

Важный класс диодов – диоды Шоттки. Падение напряжения на диоде Шоттки в открытом состоянии составляет 0.3 вольта (в отличие от 0.6-0.7 вольт для диода на p-n переходе). Условное графическое обозначение диодов Шоттки на схемах:

Частотные свойства диодов, барьерная емкость

Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода: барьерной и диффузионной.

Первый вид ёмкости – это ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью

• — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единица);

• — электрическая постоянная, численно равная 8,854187817.10 ⁻ 12

S_p-n – площадь p-n перехода;

Второй тип ёмкости – это диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.

Q – суммарный заряд, протекающий через p-n переход.

Эквивалентная схема p-n перехода.

Ri очень мало при прямом включении [R_i = (n∙1 - n∙10) Ом] и будет велико при обратном включении [R_iобр = (n∙100 кОм - n∙1 МОм)].

Если на p-n переход подавать переменное напряжение, то ёмкостное сопротивление p-n перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах ёмкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением p-n перехода при прямом включении. В этом случае при обратном включении через эту ёмкость потечёт достаточно большой обратный ток, и p-n переход потеряет свойство односторонней проводимости.

Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная ёмкость, т. к. диффузионная ёмкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление p-n перехода мало.

Выпрямительные диоды

Основная задачи диода – выпрямление переменного тока/напряжения выполняется за счет вентильных свойств p-n перехода.

Если вы вспомните, что диод - это проводник, пропускающий ток только в одном направлении, то нетрудно понять, как работает схема выпрямителя. Представленная схема называется однополупериодным выпрямителем, так как она использует только половину входного сигнала (половину периода).

Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов

Добавочные сопротивления Rд величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью выравнивания токов в каждой из ветвей.

Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов

Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания падения напряжения на каждом из диодов.

Однополупериодный выпрямитель неэффективен, так как мы теряем половину напряжения за период, соответственно выходное напряжение в два раза меньше.

Для устранения этого недостатка используют двухполупериодный выпрямитель:

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 – закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-).

В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагрузка, диод VD2, верхняя ветвь (-).

Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода. Схема выпрямителя называется двухполупериодной.

Выпрямленные диодным мотом (двухполупериодной схемой) сигналы, еще не могут быть использованы как сигналы постоянного тока. Дело в том, что их можно считать сигналами постоянного тока только в том отношении, что они не изменяют свою полярность. На самом деле в них присутствует большое количество «пульсаций» (периодических колебаний напряжения относительно постоянного значения), которые необходимо сгладить для того, чтобы получить настоящее напряжение постоянного тока. Для этого схему выпрямителя нужно дополнить фильтром низких частот.

Резистор R в приведенной выше схеме исп. Не обязательно, так как диодный мост имеет определенное выходное сопротивление.

Расщепление напряжения питания. Широко распространена мостовая однофазная двухполупериодная схема выпрямителя, показанная на рисунке ниже. Она позволяет рсщеплять напряжение питания (получать на выходе одинаковые напряжения положительной и отрицательной полярности). Эта схема эффективна, так как в каждом полупериоде входного сигнала используются обе половины вторичной обмотки.