Новочеркасское высшее военное командное

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

Кафедра Электрорадиоцепей

УТВЕРЖДАЮ

Начальник кафедры №9

полковник

п/п Г.Журбин

8 февраля 2008 г.

ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине "Электроника"

(для специальностей - 210405, 210406)

Тема №3: "Полупроводниковые диоды".

Занятие №1: "Устройство и принцип действия полупроводниковых диодов".

Занятие №2: "Разновидности и особенности полупроводниковых диодов".

Обсуждены на заседании

ПМК

7 февраля 2008 г.

Протокол № 3

Новочеркасск

2008г.

Занятие 1. Устройство и принцип действия

полупроводниковых диодов

Учебные, методические и воспитательные цели:

1.Изучить назначение, устройство, характеристики, параметры выпрямительных, высокочастотных, импульсных и туннельных диодов, особенности их применения.

2. Развивать методические навыки по применению полупроводниковых диодов.

3. Формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции

Материальное обеспечение:

1. Комплект слайдов.

2. Набор диодов.

3. ПЭВМ.

4. Блоки аппаратуры.

Литература:

1. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учеб. пособие. – СПб.: Питер, 2004. – с. 190 – 198.

2. В.А.Батушев. "Электронные элементы военной техники связи", с.106-113, 118-122.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких, как асимметрия вольтамперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д. В зависимости от вида используемого свойства, т.е. от назначения, различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные (силовые) диоды, высокочастотные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды. Каждый тип диода содержит ряд типономиналов, регламентируемых соответствующим ГОСТом.

Рассмотрим основные функциональные типы полупроводниковых диодов, а также принцип их действия, характеристики, параметры, особенности применения.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Назначение, устройство, характеристики, параметры выпрямительных и высокочастотных диодов

Выпрямительные диоды – это полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока низкой частоты (т.е. для преобразования переменного тока в постоянный). Они являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов.

Простейшая схема выпрямителя на полупроводниковом диоде показана на рис.1.

Переменное напряжение сети, преобразованное с помощью трансформатора до необходимой величины, подается через диод на конденсатор большой емкости, выполняющий функции фильтра – накопителя заряда. Периодически напряжение трансформатора становится прямым, тогда через диод проходят импульсы тока, подзаряжающие конденсатор. Остальную часть периода конденсатор разряжается через нагрузку, включенную параллельно ему (рис. 2).

Так как емкость конденсатора выбирают достаточно большой, то напряжение на нем изменяется мало, напряжение нагрузки оказывается практически постоянным и через нее проходит почти постоянный ток

.

Напряжение на диоде представляет собой алгебраическую сумму постоянного напряжения нагрузки и переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора. Максимальное прямое напряжение диода U_пр = U_т – U_выпр, а максимальное обратное напряжение диода U_обр = U_т + U_выпр, которое в режиме холостого хода (R = ¥), равно 2U_т.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток – I_{пр макс};

– максимально допустимое обратное напряжение – U_{обр макс};

– максимальная рассеиваемая мощность – Р_макс.

В выпрямительных диодах электронно-дырочный переход имеет большую площадь, обеспечивающую получение выпрямленных токов требуемой величины. При этом площадь р-n-перехода рассчитывают, исходя из допускаемой плотности прямого тока, которая для германиевых диодов равна 100 А/см², а для кремниевых – 200 А/см². В настоящее время наиболее распространены выпрямительные диоды сплавного типа. Для изготовления выпрямительных диодов широко используют кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях выгоднее германиевые диоды, так как они имеют меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые.

Мощные диоды с целью отвода тепла монтируют на специальных радиаторах, изготовленных из металла с хорошей теплопроводностью; иногда используют принудительное охлаждение (воздушное или жидкостное).

Отечественной промышленностью выпускается широкая номенклатура германиевых и кремниевых выпрямительных диодов на токи до 1000А и обратные напряжения германиевых диодов до 400В, кремниевых диодов до 1600 В.

При необходимости выпрямления больших напряжений несколько полупроводниковых диодов (до десятков) соединяют последовательно. Однако допустимое обратное напряжение цепочки при этом не равно сумме допустимых напряжений отдельных диодов. Разброс величины обратного сопротивления приводит к неравномерному распределению обратного напряжения между диодами цепочки, как следствие, к пробою друг за другом всех диодов цепочки.

Для устранения этого вредного явления прибегают к шунтированию каждого диода цепочки высокоомным резистором. Сопротивление резисторов выбирают так, чтобы ток, протекающий через цепочку резисторов, был в несколько раз больше обратного тока в цепочке диодов.

Параллельно резисторам подключают конденсаторы, емкость которых в несколько раз больше емкости диода. Однако такое шунтирование обязательно только для германиевых диодов. У кремниевых диодов характеристика пробоя не имеет падающего участка, и равномерное распределение обратного напряжения достигается автоматически.

Для получения большого выпрямленного тока можно применять параллельное включение диодов. Для выравнивания токов через диоды последовательно с каждым диодом включается добавочное сопротивление. Для удовлетворительного выравнивания токов величина добавочного сопротивления должна быть немного больше прямого сопротивления диода.

На основе изложенных методов созданы мощные высоковольтные выпрямительные блоки, обеспечивающие получение мощности в нагрузке до 100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до 1000 А.

Промышленностью выпускаются и маломощные выпрямительные элементы, представляющие собой цепочку последовательно соединенных полупроводниковых диодов, размещенных в едином корпусе: их называют выпрямительными столбами. Выпускаются также выпрямительные блоки, представляющие собой конструктивно завершенное устройство, состоящее из выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме, например мостовой.

Маркировка диодов состоит из нескольких элементов.

Рассмотрим ее на конкретном примере – КД 202Р:

–К(или 2) – кремниевый (1 или Г –германиевый)

–Д2 – диоды выпрямительные с выпрямленным током от 0,3 до 10А (Д1 – с выпрямленным током до 0,3А)

–02 – порядковый номер разработки

–Р – подгруппа по параметрам.

Высокочастотные диоды предназначены для выпрямления токов высокой частоты (для обработки высокочастотных сигналов).

Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивлениями электронно-дырочного перехода и прилегающих р- и n-областей полупроводника, то при работе диода на высоких частотах большую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного сопротивления выпрямительный эффект с ростом частоты снижается.

Для расширения частотного диапазона диода необходимо уменьшать емкость диода и сопротивление прилегающих областей, особенно базы.

Для снижения емкости р-n-перехода следует уменьшить его площадь. Для этого часто применяют точечную конструкцию. Монокристалл германия или кремния n-типа является базой диода. К базе прижата вольфрамовая игла, имеющая диаметр острия не более 20 – 30 мм. После локального разогрева (за счет пропускания мощного кратковременного импульса тока) приконтактной области, приводящего к частичному расплавлению кристалла с нанесенной примесью и конца иглы, под ней, после резкого охлаждения, образуется небольшая по объему р-область, т.е. возникает р-n-переход. Благодаря малой площади контакта обеспечивается получение малой емкости перехода (десятые доли пикофарады).

Основными параметрами высокочастотных диодов являются:

– максимально-допустимый прямой ток – I_{пр макс};

– максимально-допустимое обратное напряжение – U_{обр макс};

– проходная емкость С₀;

– предельная частота f_пред.

Для точечных диодов величина максимального прямого тока десятки миллиампер, обратного напряжения – единицы – десятки вольт, емкости – десятые доли пикофарад, предельная частота до 600 МГц.

В СВЧ-диодах обычно используют точечный контакт, осуществляемый простым прижимом к поверхности полупроводника острия металлической контактной пружины. Острие имеет небольшой радиус точечного контакта (2 – 3 мкм), что обеспечивает получение незначительной емкости.

Особенностью вольт-амперной характеристики точечных диодов (рис. 3) является отсутствие горизонтального участка на обратной ветви и плавный переход в режим пробоя, что вызывается неоднородностью структуры диода. Для точечных диодов характерен большой разброс по обратному току и прямой проводимости. Параметры подвержены заметному изменению в процессе хранения и эксплуатации. Для частичной стабилизации диоды в процессе изготовления подвергаются искусственному старению.

Лучшей стабильностью параметров отличаются высокочастотные диоды, выполненные по микросплавной технологии, но емкость перехода у них больше и предельные частоты ниже, чем у точечных диодов.

Таким образом, выпрямительные и высокочастотные диоды предназначены для выпрямления переменных токов, но выпрямительные работают на низких частотах, а высокочастотные на высоких частотах, где процесс выпрямления тока, как правило, называют обработкой высокочастотного сигнала.

2. Назначение, устройство, характеристики, параметры

импульсных и туннельных диодов

Импульсные диоды широко используются в качестве ключевого элемента, имеющего два состояния – открытое (сопротивление диода мало) и закрытое (сопротивление диода велико). Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности малым, так как этим определяется быстродействие аппаратуры.

Рассмотрим процессы в диоде при переключении (рис. 4).

На рис.5 показаны временные диаграммы тока и напряжения на диоде при переключении. На протяжении времени t₁, предшествующего переключению, через диод проходит импульс прямого тока I₁.

При переключении диода на обратное напряжение его сопротивление вначале оказывается небольшим вследствие того, что база насыщена зарядами, накопленными во время прохождения прямого тока. Поэтому обратный ток I₂, проходящий через диод, имеет вначале большую величину.

С течением времени накопленный заряд частично выводится из базы током I₂, а частично исчезает вследствие рекомбинации, поэтому переход восстанавливает высокое обратное сопротивление, обратный ток диода падает до установившегося значения I_обр.

Изменение концентрации накопленного заряда в базе диода в режиме переключения показано на рис.6. К моменту окончания прямого импульса в базе существует установившееся распределение концентрации (кривая t=0). Когда возникает обратный ток I₂, кривая t¹ распределения концентрации у перехода получает обратный наклон. Создается диффузионный ток дырок из базы в переход. Одновременно из базы во внешнюю цепь в таком же количестве выводятся электроны, чем сохраняется нейтральность базы. Неравновесная концентрация неосновных носителей заряда уменьшается как за счет рассмотренного процесса, так и вследствие рекомбинации. Градиент концентрации носителей заряда у перехода и ток остаются при этом постоянными до тех пор, пока концентрация дырок у перехода не спадает до нуля (t=t₂). Далее градиент концентрации начинает уменьшаться, и обратный ток достигает величины I_обр.

Напряжение на диоде меняется следующим образом. В первый момент после включения прямого тока на диоде наблюдается всплеск напряжения. Это объясняется тем, что из-за ограниченной скорости диффузии носителей заряда база диода сразу после включения еще не насыщена неравновесными носителями и ее сопротивление повышено. По мере накопления носителей заряда сопротивление базы падает, и напряжение снижается до величины U_пр.

После переключения диода напряжение на нем в течение первой фазы рассасывания t₂ остается положительным за счет неравновесного заряда, медленно убывая до нуля. Затем напряжение диода, изменив полярность, нарастает постепенно до значения напряжения источника.

Длительность переключения диода с прямого направления на обратное (t₂+t₃) зависит от времени жизни носителей заряда в базе, а также от соотношения между прямым и обратным токами.

Быстродействие диода как ключа определяют два параметра – время установления прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления.

Время установления прямого напряжения – это интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до момента достижения заданного значения прямого напряжения – обычно 1,1U_пр.

Время восстановления обратного сопротивления – это интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного значения (0.1 – 0,01 I_пр). По времени восстановления переключающие диоды подразделяются на три группы:

– высокого быстродействия (t_вос < 10 нс);

– среднего быстродействия (10 нс < t_вос <100 нс);

– низкого быстродействия (t_вос > 100 нс).

Сплавные диоды характеризуются низким быстродействием (t_вос > 0,5мкс). Точечные диоды имеют t_вос< 0.1мкс, однако у них мал прямой ток (20 – 50мА) и невелико обратное напряжение (не более 20 В). Значительно большей скоростью переключения, большей величиной прямого тока, стабильностью и малым их разбросом отличаются меза-диоды. У них t_вос =10 – 50 нс при прямом токе до 500 мА и обратном напряжении до 100 В (рис. 7).

Для переключения может быть использован участок лавинного пробоя диода на обратной ветви его вольтамперной характеристики (t_вос = 0.01 нс). Эффективным типом импульсных диодов являются металлополупроводниковые диоды (диоды Шоттки).

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, у которого на прямой ветви вольтамперной характеристики имеется падающий участок, обладающий отрицательной дифференциальной проводимостью.

Вырожденными являются полупроводники с высокой концентрацией примеси, порядка 10^{19 –} 10²⁰ см³ (в обычных диодах концентрация примесей не превышает 10¹⁷ см³). Такие p-n структуры обладают рядом особенностей:

– толщина p-n-перехода очень мала (около 10 мкм, что на два порядка меньше, чем в обычных диодах);

– примесные уровни образуют сплошные зоны, которые примыкают к зоне проводимости в п-области и к валентной зоне в р-области. Уровень Ферми при этом располагается в разрешенных зонах.

Следствием является наличие туннельного эффекта – прохождение потенциального барьера р-п-перехода частицей (электроном) в случае, если с другой стороны этого барьера есть такой же свободный энергетический уровень, какой частица занимает перед барьером. Туннельный переход совершается электронами без затраты энергии. Характеристика туннельного диода имеет следующий вид (рис. 8).

Основные параметры туннельного диода:

– пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ. Его величина может достигать сотен мА;

– ток впадины – I_в – прямой ток в точке минимума ВАХ;

– отношение токов I_п /I_в. Для германиевых диодов I_п /I_в=3 – 6, для арсенид-галиевых I_п /I_в = 10;

– напряжение пика – U_п. Для германиевых диодов U_п= 40 – 60 мВ, для арсенид-галиевых U_п= 100 – 150 мВ;

– напряжение впадины U_в. Для германиевых диодов U_в=250 – 350 мВ, для арсенид-галиевых U_в = 400-500 мВ;

– напряжение раствора U _рр – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому;

– отрицательная дифференциальная проводимость в центре падающего участка может достигать сотен миллиампер на вольт.

Наличие отрицательной проводимости у туннельного диода позволяет использовать его для генерирования и усиления колебаний, преобразования и переключения. Так как ток в диоде создается основными носителями, прохождение которых не связано с накоплением неравновесных зарядов, прибор обладает чрезвычайно малой инерционностью, что позволяет работать на высоких частотах.

Таким образом, импульсные диоды должны быстро переключаться из открытого состояния в закрытое и наоборот. Поэтому они должны обладать малой собственной емкостью, не накапливать заряд в базе (или он должен быстро выводиться). Этими же свойствами обладают и туннельные диоды, которые наряду с этим потребляют малую мощность, устойчивы к радиационному излучению, имеют малые габариты и массу.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время продолжается совершенствование технологии изготовления диодов с целью дальнейшего улучшения их параметров. Кроме рассмотренных диодов находят широкое применение и другие типы диодов, которые будут рассмотрены на следующей лекции.

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 193–196.

Старший преподаватель кафедры N 9

доцент п/п Г.Подлеский

Рецензент:

доцент

п/п Б.Степанов