ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

П л а н л е к ц и и

5.1. Разновидности полупроводниковых диодов.

5.2. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

5.4. Модели выпрямительных диодов.

5.5. Стабилитроны: характеристики, параметры, применение. 5.6. Туннельный диод. Зонная диаграмма и ВАХ.

5.7. Варикап: принцип работы, применение. 5.8. Импульсные диоды: принцип действия.

5.1. Разновидностиполупроводниковыхдиодов.

Прибор, который имеет два электрода и один выпрямляющий р–n-переход, называется полупроводниковым диодом. Существуют разные виды полупроводниковых диодов – выпрямительные, импульсные, обращенные, туннельные, лавинно-пролетные, опорные или зенеровские (стабилитроны), с регулируемой емкостью (варикапы) и т. д.

5.2. Выпрямительныеполупроводниковыедиоды. Характеристикиипараметры. Влияниевнешних условийнахарактеристикиипараметры.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния или германия. В зависимости от частоты выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные и высокочастотные. В зависимости от мощности – на диоды малой, средней и большой мощности, что соответствует предельным значениям выпрямленного тока до 300 мА, от 300 мА до 10 А и выше 10 А. По конструкции выпрямительные диоды подразделяются на точечные и плоскостные, а в зависимости от технологии изготовления – на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Точечные диоды имеют малую барьерную емкость, обусловленную малой площадью p–n-перехода, и применяются, как правило, на высоких и сверхвысоких частотах.

Мощные плоскостные диоды имеют большую площадь p–n-перехода, являются низкочастотными и используются в основном в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Такие диоды называются силовыми. Они изготавливаются преимущественно из кремния, поскольку

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.2. Выпрямительные полупроводниковыедиоды. Хаар-ки и параметры.Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через p–n-переход от температуры. Мощные кремниевые диоды рассчитаны на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение до 1000 В.

Для выпрямления высоких напряжений служат выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, выпрямленный ток которых может составлять несколько сот миллиампер, а напряжение до 15000 В.

Сплавные диоды чаще всего применяются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на частотах до 100 кГц, а эпитаксиальные диоды с барьером Шоттки – на частотах до 500 кГц.

Зависимость тока через диод от напряжения на диоде называется вольтамперной характеристикой диода (ВАХ). Теоретическое описание BAX идеального диода с p–n переходом, полученное У. Шокли (4.33), имеет вид

где U – напряжение на p–n-переходе диода, IS – ток насыщения, φТ = kT/q – тепловой потенциал. При T = 300 К φТ = 25 мВ. ВАХ идеального p–n- перехода приведена на рис. 5.1, а.

IS

Рис. 5.1. Статические вольт-амперные характеристики идеального p–n-перехода (а) и реального диода (б)

При положительных и отрицательных напряжениях U, больших по модулю 0,1 В, ВАХ описывается упрощенным выражением

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.2. Выпрямительные полупроводниковыедиоды. Хаар-ки и параметры.Влияние внешних условий на характеристики и параметры.

При протекании большого прямого тока через диод падение напряжения возникает не только на p–n-переходе, но и на объемном сопротивлении полупроводника R.

В результате реальная ВАХ диода (рис. 5.1, б) отличается от ВАХ идеального p–n-перехода и описывается выражением

Различают прямую (при U > 0) и обратную (при U < 0) ветви ВАХ. Прямой ветви ВАХ соответствуют большие значения прямого тока диода и малые падения напряжения на диоде, обратной ветви – малые значения обратного тока диода при достаточно больших (по модулю) обратных напряжениях на диоде. Свойством проводить ток практически в одном направлении (свойством односторонней проводимости) и определяется использование диода для целей выпрямления переменного тока.

На прямой ветви ВАХ выпрямительного диода выделяют условную точку ее резкого излома и соответствующее ей напряжение, называемое пороговым. Пороговое напряжение приближенно составляют 0,3 В для германиевых диодов, 0,6 В – для кремниевых и 1,2 В – для арсенидгаллиевых.

Важным параметром диода является коэффициент выпрямления Kв, который определяется как отношение прямого тока к обратному при одинаковой (по модулю) величине прямого и обратного напряжений

(например: ±0,01 В; ±0,1 В; ±1 В) [3]. Для идеального диода Кв = 1 при U =

±0,01 В. При U = ±1 В Кв = 2,8·1020.

Для реального диода существует максимально допустимый прямой ток Iпр.max, превышение которого приводит к его недопустимому разогреву и тепловому пробою. Значение Iпр.max относится к справочным предельным параметрам диодов. Для диодов малой мощности предельный прямой ток составляет десятки миллиампер.

При приложении определенного обратного напряжения, называемого напряжением пробоя, начинается процесс лавинообразного нарастания тока, что соответствует электрическому пробою p–n-перехода (отрезок А–Б на рис. 5.1, б). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки Б).

Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max также является важным предельным параметром выпрямительных диодов и составляет для

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

по постоянному току делается графически. Он основывается на использовании статической ВАХ диода (рис. 5.3). При этом на ВАХ строится

линия нагрузки или нагрузочная характеристика.

Она устанавливает связь между током через диод I напряжением на диоде U, сопротивлением нагрузки Rн и ЭДС источника питания Е и определяется выражением

которое следует из второго закона Кирхгофа для цепи, содержащей диод, сопротивление нагрузки и источник питания:

Построение линии нагрузки производится по точкам ее пересечения с осями координат. При I = 0 получаем U = Е, откладываем на оси напряжений значение Е, получаем точку А. При U = 0 получаем I = Е/Rн, откладываем это значение по оси токов, получаем точку Б. Соединяя эти точки, получаем линию нагрузки. Пересечение линии нагрузки и ВАХ диода (точка Т) дают решение поставленной задачи.

Рис. 5.3. Схема включения диода с нагрузкой и построение линии нагрузки

При сравнительно малых Rн точка Б получается за пределами чертежа, в этом случае следует отложить от точки А влево произвольное напряжение u и от полученной очки отложить ток I = u/Rн (отрезок ВГ). Прямая, проведенная через точки В и Г, будет линией нагрузки. Иногда бывают заданы напряжение, ток и сопротивление нагрузки, а следует определить ЭДС источника питания. Во всех случаях нужно руководствоваться уравнением (5.6).

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

Выпрямление переменного тока – один из основных процессов в радиоэлектронике. Выпрямителями в общем случае называются устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямители на основе полупроводниковых диодов применяются в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры, а также используются в качестве измерительных преобразователей, амплитудных детекторов сигналов, умножителей напряжения и др.

Существуют различные виды полупроводниковых выпрямителей, отличающиеся количеством диодов, схемой их включения, типом сглаживающего фильтра. Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 5.4, а. Она включает в себя генератор переменной ЭДС (е), диод VD и нагрузочный резистор Rн. Эта схема называется

однополупериодной схемой выпрямления с активной нагрузкой.

Для питания радиоэлектронной аппаратуры в качестве генератора переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис 5.4, б).

Рис. 5.4. Схема однополупериодного выпрямителя: е – источник ЭДС, Тр – трансформатор, U1 , U2 – напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора, VD – выпрямительный диод, Rн – сопротивление нагрузки, Uн – напряжение на нагрузке

Однофазный однополупериодный выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну выпрямляемого напряжения (рис. 5.5). Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая или

среднее значение Uср.

Для однополупериодной схемы среднее значение напряжения определяется как

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

ряд Фурье, к среднему значению напряжения на нагрузке. Для однополупериодного выпрямителя

что соответствует значению коэффициента пульсаций kп = 1,57. Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дает более сложные двухполупериодные схемы выпрямления.

Для эффективного сглаживания пульсаций в выпрямительных схемах применяются сглаживающие фильтры. Простейший способ сглаживания пульсаций – включение конденсатора большой емкости Сф параллельно нагрузке (рис. 5.6). Конденсатор обеспечивает хорошее сглаживание, если его сопротивление на частоте основной гармоники пульсаций ωп намного

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором иллюстрирует рис. 5.7, где приведены графики ЭДС источника е, тока через диод i и напряжения на конденсаторе Uc, равного напряжению на нагрузке Uн.

Рис. 5.6. Схема выпрямителя со сглаживающим фильтром

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.3. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока.

0

t

Разряд

Заряд

Рис. 5.7. Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора

При включении конденсатора большой емкости средневыпрямленное значение напряжения Uср стремится к амплитудному значению Um и может достигать (0,80–0,95)Um.

Сведения о более сложных схемах выпрямления с большим числом используемых диодов – двухфазных, двухполупериодных, мостовых, с умножением напряжения, а также о других применениях выпрямительных диодов, приведены в библиографическом списке.

5.4. Моделивыпрямительныхдиодов.

На рис. 5.8, а показана эквивалентная схема (схема замещения) выпрямительного диода. Приведенная модель является малосигнальной эквивалентной схемой диода для области низких частот.

Сопротивление Rпер представляет собой нелинейное сопротивление p–n-перехода и в случае прямого включения диода очень мало. Емкость С представляет собой сумму барьерной емкости p–n-перехода и диффузионной емкости.

Анализ работы указанной схемы не представляет затруднений и ведется на основе соотношений, применяемых при анализе линейных электрических цепей.

Современные САПР (PSPICE, MICROCAP, OrCAD, DesignLab), как правило, имеют встроенные модели нелинейных компонентов, в т. ч. диодов, которые позволяют моделировать поведение схемы в широком диапазоне изменения токов и напряжений. На рис. 5.8, б приведена нелинейная схема замещения выпрямительного диода, применяемая в пакете PSPICE. Диод, изображен в виде нелинейного зависимого источника I(V), емкости p–n-перехода C и объемного сопротивления RS.

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.4. Модели выпрямительных диодов.

б

Рис. 5.8. Линейная (а) и нелинейная (б) схемы

замещения диода

В указанной модели нелинейный зависимый источник описывается выражением

Параметры математической модели диода приведены в табл. 5.1.

ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.4. Модели выпрямительных диодов.

Vнеидеальности на участке пробоя