Занятие 2. Разновидности и особенности полупроводниковых

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

диодов

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить назначение, устройство, характеристики и параметры стабилитронов, варикапов, диодов Шоттки и светодиодов, 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. 199 – 204.

2. В.А.Батушев. "Электронные элементы военной техники связи", 100 –101, 104 – 106, 113 – 117.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на электронно-дырочном переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое, при этом величина обратного тока изменяется значительно.

В основе принципа действия варикапа используется зависимость барьерной емкости электронно-дырочного перехода от величины внешнего обратного напряжения.

В основе принципа действия диодов Шоттки лежит выпрямляющий контакт металл-полупроводник, а в основе принципа действия светодиодов – излучение света p-n-переходом.

Указанные свойства электронно-дырочных переходов были рассмотрены в курсе физических основ электроники. В настоящей лекции рассмотрим использование этих свойств в конкретных типах полупроводниковых диодов.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Назначение, устройство, характеристики, параметры

стабилитронов и диодов Шоттки

Полупроводниковые стабилитроны – это диоды, применяемые для стабилизации напряжения и работающие в режиме электрического пробоя р-n-перехода. Они изготавливаются из кремния, обеспечивающего получение необходимой вольтамперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения не пригодны, так как электрический пробой у них легко приобретает форму теплового пробоя и характеристика в этом режиме имеет неустойчивый падающий участок.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рис.1.

В точке А, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50 – 100 мкА. После точки А ток резко возрастает и допустимая величина его ограничивается лишь мощностью рассеяния Р_макс .

Допустимая рассеиваемая мощность определяется тепловым сопротивлением диода, допустимой температурой перехода и температурой окружающей среды.

В современных стабилитронах максимальный ток составляет от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение этого тока ведет к перегреву и порче диода.

Основным функциональным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации, определяемое при заданном токе. Оно зависит от концентрации примесей в p-n структуре и находится в пределах от 2В (2С124Д) до 400В (2С904АС1) и более. Ввиду разброса параметров (обычно ±10%) вместо номинального значения U_ст часто приводят в справочниках его возможные предельные значения.

Напряжение пробоя стабилитрона мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики (от I_{ст мин} до I_{ст макс}) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона.

.

Оно составляет от единиц до сотен ом, причем меньшая величина соответствует стабилитронам, имеющим напряжение стабилизации 2 – 15 В и большой рабочий ток.

При использовании стабилитрона для стабилизации напряжения его включают параллельно нагрузке R_н (рис.2). В неразветвленную часть цепи включают балластный резистор R.

Если напряжение питания во время работы может изменяться самопроизвольно в обе стороны относительно некоторого значения Е₀, то рабочую точку на характеристике стабилитрона выбирают посередине рабочего участка, т.е.

При этом напряжение питания будет равно

.

Принцип стабилизации напряжения заключается в следующем. Пусть напряжение источника питания увеличилось вследствие нестабильности на величину D Е. Общий ток, протекающий через балластное сопротивление и стабилитрон, возрастет. Происходит перераспределение падений напряжения на этих элементах. На стабилитроне, вследствие относительной вертикальности его характеристики, напряжение изменяется очень незначительно (D U_ст), а на балластном сопротивлении оно увеличивается заметно, компенсируя величину D E.

Уравнение нагрузочной характеристики можно представить в виде

.

Это уравнение прямой, проходящей через точки Е₀ и Е₀ /R.

Рабочая точка определяется пересечением вольт-амперной и нагрузочной характеристик. Как видно из рис. 1, при изменении величины напряжения питания на D Е соответствующее изменение D U_ст будет очень малым.

Оценим влияние параметров на качество стабилизации напряжения при включенной нагрузке R_н. В этом случае

.

При изменении напряжения источника питания

.

Отсюда

.

Из полученного выражения видно, что для повышения качества стабилизации необходимы условия: R >> R _i и R >> R_н.

Однако чрезмерное увеличение сопротивления сопряжено с большой потерей мощности в нем и поэтому является невыгодным.

При использовании стабилитрона в прецизионных стабилизаторах необходимо учитывать, что напряжение стабилизации U_ст зависит от температуры. Температурный коэффициент напряжения стабилизации

лежит в пределах 0,1% на 1⁰С. Величина и знак зависят от напряжения стабилизации.

Для напряжений ниже 5В, соответствующих узким р-n-переходам, где преобладает туннельный пробой, ТКU отрицателен (рис. 3). Для напряжений выше 5В, соответствующих более широким переходам, ТКU положителен, так как при увеличении температуры снижается подвижность носителей заряда в переходе и для ударной ионизации, т.е. лавинного пробоя, необходима большая величина напряженности электрического поля.

Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к включению последовательно со стабилитроном термозависимого резистора R(Т), имеющего обратный температурный коэффициент. Для стабилитронов с положительным ТКU для этой цели обычно используют р-n-переходы, включенные в прямом направлении. Подобные приборы с успехом применяют в качестве эталонных источников напряжения даже в переносной аппаратуре.

Чтобы получить большое напряжение стабилизации, стабилитроны включают последовательно, при этом для компенсации разброса параметров иногда необходимо подключить параллельно к ним уравнительные резисторы.

Параллельное включение стабилитронов также допустимо, но, поскольку ток между ними вследствие разброса параметров распределяется неравномерно, во избежание повреждения среднюю мощность рассеяния на прибор следует брать значительно меньше величины, допустимой для одного прибора. Кроме того, можно выравнять токи диодов с помощью резисторов, включенных последовательно с ними; при этом, однако, ухудшаются стабилизирующие свойства ввиду увеличения результирующего дифференциального сопротивления приборов.

Диоды Шоттки – это металло-полупроводниковые диоды, в которых используется выпрямляющий контакт металл-полупроводник.

Основные математические соотношения для электрических характеристик таких контактов получил немецкий ученый В.Шоттки. Технология изготовления переходов металл-полупроводник со стабильными характеристиками была отработана лишь в последние годы, что привело к появлению различных типов диодов Шоттки, обладающих рядом преимуществ перед другими типами диодов.

Характер процессов на границе металл-полупроводник зависит от соотношения между работами выхода из металла и из полупроводника и рассмотрен в курсе физических основ электроники.

Диоды Шоттки обладают прямой ветвью вольт-амперной характеристики(ВАХ), которая близка к ВАХ идеализированного p-n-перехода. Это означает, что прямая ветвь ВАХ диода Шоттки идет круче, чем у обычных диодов.

В диодах Шоттки отсутствует накопление неосновных носителей в базовой области и, следовательно, диффузионная емкость. Отсутствие диффузионной емкости предопределяет высокое быстродействие приборов и более высокие предельные рабочие частоты, что особенно важно при создании быстродействующих интегральных схем и при использовании их в диапазоне СВЧ.

Время переключения диодов Шоттки из открытого состояния в закрытое и наоборот составляет доли пикосекунд, а предельная частота – сотни ГГц.

Благодаря меньшему прямому падению напряжения (0,3 В) металло-полупроводниковые переходы при использовании в мощных выпрямительных диодах позволяют существенно снизить потери мощности. В настоящее время созданы выпрямительные диоды на прямые токи до 50 А.

Таким образом, стабилитрон используется для стабилизации напряжения и основным функциональным параметром его является напряжение стабилизации. Диоды Шоттки из-за отсутствия накопления заряда и малого прямого падения напряжения используются в диапазоне СВЧ и для выпрямления малых напряжений.

2. Назначение, устройство, характеристики, параметры

варикапов и светодиодов

Варикап – это полупроводниковый диод, применяемый в качестве электрического конденсатора, управляемого напряжением. В варикапе используется зависимость емкости перехода от обратного напряжения (рис. 4).

Схема включения варикапа показана на рис.5. Обратное напряжение на варикап подается через разделительный высокоомный резистор, предотвращающий шунтирование емкости варикапа малым внутренним сопротивлением источника питания. Изменяя величину обратного напряжения, можно регулировать емкость варикапа.

Параллельно варикапу включают колебательный LC-контур, настройку которого производят с помощью варикапа.

Для уменьшения влияния переменного напряжения колебательного контура на емкость варикапа часто применяют встречно-последовательное включение идентичных варикапов (рис.6).

Переменное напряжение поступает на варикапы в противофазе, поэтому вызываемые этим напряжением изменения емкости варикапов взаимно компенсируются, а результирующая емкость варикапов остается неизменной.

Качество варикапа определяют следующие основные параметры:

– номинальная емкость С_ном, определяемая при номинальном обратном напряжении (обычно 2 – 5 В);

– коэффициент изменения емкости К_с = С_макс /С_мин, представляющий собой отношение максимальной емкости варикапа (обычно при номинальном напряжении) к минимальной емкости (при максимальном рабочем напряжении);

– добротность Q, определяемая потерями энергии в варикапе;

– частотный диапазон (f_пред).

Емкость варикапа зависит от площади перехода, концентрации примеси в базе диода и величины обратного напряжения и практически может лежать в пределах от единиц пикофарад до десятых долей микрофарады.

Крутизна вольт-фарадной характеристики варикапа (рис. 4) С = f(U_обр) определяется как

.

Она имеет максимальное значение при U_обр = 0 и с повышением обратного напряжения уменьшается.

Добротностью варикапа называют отношение реактивной мощности к мощности потерь .

При прохождении через варикап переменного тока часть мощности поглощается в токоведущих элементах, и часть мощности поглощается в самом электронно-дырочном переходе. Таким образом мощность потерь имеет две составляющие: потери в токоведущих элементах и потери в р-n-переходе. На низких частотах потери в токоведущих элементах малы, поэтому добротность определяется потерями в р-n-переходе. На высоких частотах, наоборот, добротность определяется потерями в токоведущих элементах. Для повышения добротности используют полупроводники с широкой запрещенной зоной (АsGa), имеющие низкую концентрацию неосновных носителей заряда, т.е. малый обратный ток. Практически добротность варикапов может быть получена не хуже 100.

Рабочий диапазон частот варикапа определяется значениями минимально допустимой добротности. Максимальная рабочая частота определяется выражением

.

Влияние температуры на емкость варикапов относительно невелико. Значительно сильнее рост температуры влияет на добротность варикапа, что обусловлено экспоненциальным ростом обратного тока при увеличении температуры.

Предельная рабочая температура для германиевых варикапов составляет 50-60 ⁰С, для арсенид-галлиевых варикапов она достигает 150 ⁰С.

Благодаря возможности изменения емкости с помощью напряжения варикапы применяют для настройки высокочастотных колебательных контуров, управления частотой генераторов гармонических колебаний, осуществления частотной модуляции и т.д. Промышленностью выпускаются для этой цели большой ассортимент варикапов. Существует также разновидность варикапов, специально предназначенных для параметрического усиления колебаний и преобразования несущей частоты. Эти приборы называют варакторами или параметрическими диодами.

Светодиоды – это полупроводниковые диоды, испускающие свет при протекании через них прямого тока. Свечение возникает при рекомбинации носителей, сопровождающееся выделением квантов света.

Явление излучения света полупроводниковыми p-n структурами в результате инжекции называют инжекционной электролюминесценцией.

Свет в p-n структуре возникает как в самом переходе, так и в областях, прилегающих к нему.

Цвет (длина волны излучения) определяется разностью энергий между уровнями, на которых находились электрон и дырка до рекомбинации.

Ввиду того, что глаз человека чувствителен к излучению с длиной волны l_макс £ 0,7мкм, разность энергий между уровнями должна быть не менее

.

Поэтому для создания излучательных переходов используют обычно полупроводники с широкой запрещенной зоной (карбид кремния, арсенид галия, фосфид галия и др.).

Например, на основе карбида кремния создают диоды красно-оранжевого и желтого свечения. Этот материал обладает большой механической прочностью, прозрачен во всем диапазоне видимого света, что устраняет трудности отвода излучаемого света. Однако процесс выращивания кристаллов этого материала очень сложный и дорогой, да и размер кристалла удается получить порядка 3x3 мм.

Наиболее перспективными являются твердые растворы тройных полупроводниковых соединений: арсенид галия - фосфид галия - фосфид индия, дающие излучение желтого и желто-зеленого свечения высокой яркости. Яркость свечения линейно зависит от плотности тока.

Светодиоды используются в качестве индикаторов для отображения различной информации.

Конструкция светодиода (рис. 7) предусматривает свободный выход светового потока из базовой р-области, являющейся источником излучения. Для улучшения восприятия светового сигнала часто используют линзы. Разновидностью светодиодов является цветосигнальный индикатор с плавноизменяющимся цветом свечения. Он имеет две дырочные области из фосфида галлия, легированные различными акцепторными примесями (рис. 8). Область, легированная азотом, дает зеленое свечение, а область, легированная цинком, – красное свечение. Каждый из р-п-переходов имеет отдельный вывод, что позволяет получать либо красное, либо зеленое свечение, а при одновременном включении обоих переходов, регулируя величину тока через переходы, можно получить изменяющийся цвет свечения от зелено-желтого до желто-красного.

Маркировка стабилитронов и варикапов аналогична рассмотренной на прошлой лекции маркировке выпрямительных диодов. Отличие состоит в том, что для стабилитронов вторым элементом маркировки будет буква С с цифровым индексом, а для варикапов – В.

Таким образом, варикапы работают при обратном смещении и используются как конденсаторы, управляемые напряжением. Применяются для настройки высокочастотных колебательных контуров. Светодиоды используются в индикаторах для отображения различной информации.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Рассмотренные полупроводниковые диоды находят чрезвычайно широкое применение в аппаратуре связи различного назначения, постоянно расширяются их возможности, диапазон рабочих частот. Это обусловлено высокой надежностью полупроводниковых диодов, малыми объемно-весовыми показателями, малой потребляемой мощностью и т.д. Кроме рассмотренных типов диодов существуют также и другие типы, используемые для специальных целей: фотодиоды, обращенные диоды, лавиннопролетные диоды, диоды Ганна и др.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 199 – 201.

Старший преподаватель кафедры N 9

доцент п/п Г.Подлеский

Рецензент:

доцент

п/п Б.Степанов