Лекция по теме «Полупроводниковые диоды»

1. II. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
2. Виды, конструкции и параметры полупроводниковых диодов.

Полупроводниковый диод  — электропреобразовательный прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным р-n- переходом.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

по конструкции: плоскостные,   точечные;

по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенидо — галлиевые и др.

по назначению (рис.1): а) выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Гана; б) стабилитроны; в) варикапы; г) тоннельные диоды; д) обращенные диоды; е) диоды Шоттки; ж) светодиоды; з) фотодиоды.

Рис.1. Условное графическое обозначение полупроводниковых диодов

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n- типа (рис.2), толщиной 0,1…0,6 мм и площадью 0,5…1,5 мм²; с пластинкой соприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный р-n- переход полусферической формы.

Для изготовления германиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р- типа является эмиттерной.

Для изготовления кремниевых точечных диодов используется кремний n- типа и проволочка, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

Рис. 2 Устройство точечных диодов

В плоскостных диодах р-n- переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 3).

Рис. 3 Устройство плоскостных диодов, изготовленных

а — сплавным методом; б – диффузионным методом

В пластинку германия n- типа вплавляют при температуре около 500°С каплю индия (рис. 3, а) которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n- типа.

Диффузионный метод изготовления р-n- перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (рис. 3, б). Для создания р-слоя используют диффузию акцепторного элемента (бора или алюминия для кремния, индия для германия) через поверхность исходного материала.

Основными параметрами полупроводниковых диодов являются (рис.4):

Рис. 4 ВАХ полупроводникового диода и его основные параметры

— Прямой ток диода Iпр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно Uпр = 1…2В);

— Максимально допустимый прямой ток Iпр.max диода;

— Прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Uпр.max.

— Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max, при котором диод еще может нормально работать длительное время

Uобр.max = ⅔ ∙ Uэл.проб;

— Обратный ток Iобр.max.при максимально допустимом обратном напряжении Uобр.max;

— Прямое и обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратном напряжениях:

— Прямое и обратное динамическое сопротивление диода:

— Максимально допустимая мощность Pмах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

Анализ ВАХ германиевого и кремниевого диода показывает (рис.5).

Рис. 5. Зависимость ВАХ диода от температуры:

а – для германиевого диода; б – для кремниевого диода

1. Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет ΔUпр = (0,3…0,6)В, у кремниевых диодов − ΔUпр = (0,8…1,2)В.
2. При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через р-n- переход.При повышении температуры р-n- перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.
3. В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n- перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8)Uпроб.
4. Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.
5. Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С

2. Расчёт схем с диодами

Основной характеристикой диода служит его вольт-амперная характеристика (ВАХ), вид которой совпадает с характеристикой р -n- перехода. Поскольку вольтамперная характеристика не линейна, возникает проблема расчёта электрических цепей, в состав которых входит диод. Расчет, заключающийся в определении тока, проходящего через диод, проводят тремя методами:

1. Графический метод. При этом необходимо использовать график зависимости тока через диод от прямого падения напряжения на диоде. Пренебрегая обратными токами р-n-переходов. Пусть необходимо определить ток в цепи, предложенной на рисунке 6 (а).

Рис. 6: а- включение диода; б-ВАХ диода

Для предложенной схемы справедливо выражение:

Из этого выражения выразим напряжение на диоде и значение тока:

Можно заметить, что первое равенство справедливо в точке пересечения двух линий:

f₁(I_D) = U_D —  ВАХ диода;

f₂(I) =E — I•R1  — прямая линия, соединяющая точку E на оси напряжения с точкой E/R1 на оси тока (рис. 6, б). Единственная точка пересечения является решением задачи и определяет значение установившегося тока в цепи I_D и значение падения напряжения на диоде при этом токе U_D.

Хотя теоретически графический метод может дать высокую точность, на практике им пользоваться неудобно и точность вычислений будет невелика, поскольку диоды даже одного типа имеют разные вольтамперные характеристики.

2. Аналитический метод. Предполагает применение формулы зависимости тока через диод от приложенного напряжения:

Применение аналитической модели диода при оперативных расчётах практически невозможно.

3. Применение простейших моделей диодов. Метод основан на использовании кусочно-линейную аппроксимацию вольтамперной характеристики диода (рис.  7).  Результатрасчета величины тока будет тем точнее, чем больше приложенное напряжение питания всей схемы E отличается от прямого падения напряжения на диоде.  Этот метод представляет практический интерес. Рассмотрим два случая:
4. Известно примерное значение рабочего прямого тока через диод. Напряжение питания схемы E незначительно больше прямого падения напряжения на диоде U_д (E>U_д).

Проводится касательная к точке  «а» с рабочим значением тока на ВАХ и прямо смещённый диод замещается источником электродвижущей силы (-Е0) и резистором с сопротивлением  R_д.пр. Условное обозначение диода и его эквивалентная схема при прямом смещении показана на  рисунке8 (а). Сопротивление этого резистора определяется отношением приращения падения напряжения на диоде в рабочей точке к соответствующему приращению тока через диод.

Источник э.д.с. направлен против прямого тока диода, то есть противодействует току.

Рис.7  Кусочно-линейная  аппроксимация ВАХ диода

2. Если напряжение питания схемы E значительно больше прямого падения напряжения на диоде (E>>U_д), модель диода может быть упрощена и сведена к источнику э.д.с. с напряжением U_д.пр=(0.6-0.8)В, если диод кремниевый или с напряжением U_д.пр = (0.2-0.4)В, если диод германиевый. Условное обозначение диода и его эквивалентная схема при прямом смещении в этом случае показаны на рисунке 8 (б).

Рис. 8  Условное обозначение диода и схема его замещения при прямом токе:   а —  E>U_д,   б —  E>>U_д

C температурой прямое падение напряжения U_д.прна р-n переходе уменьшается на 2-3 мВ при повышении температуры на 10C. Если необходимо учитывать обратный ток через диод, то следует помнить, что с ростом температуры на каждые 10⁰C обратный ток германиевого диода удваивается, для кремния удвоение тока наблюдается при росте температуры на каждые 7⁰C.