Общие представления о радиоэлектронике.

Лекция 1.

Общие представления о радиоэлектронике.

Введение в предмет. Обобщенная структурная схема передачи информации.

Электронные устройства. Общие сведения.

Элементы зонной теории проводимости. Проводимость в полупроводниках.

 

1. Термин радиоэлектроника появился сравнительно недавно. Наряду с ним широко используются термины радиотехника и электроника.

Под радиотехникой будем понимать область науки и техники, связанную с разработкой систем и устройств, обеспечивающих передачу информации и ее извлечение из электромагнитных колебаний, то есть методы и средства передачи и приема сигналов без проводов.

Под электроникой – область науки и техники, связанных с разработкой и производством электронных компонентов (электронных ламп, диодов, транзисторов и т.д.), то есть совокупность технических решений, связанных с обработкой информации и автоматическим управлением.

Радиоэлектроника – в современном понимании этого термина – решает вопросы, относящие к радиотехнике и электронике.

В отличие от электротехники, главной задачей которой является максимизация эффективности использования энергии, в радиоэлектронике на первый план выходит проблема получения, передачи и обработки информации с минимальными потерями.

Наиболее упрощенная схема выглядит так:

Поскольку для передачи сигнала в радиотехнике используются радиоволны, характер связи существенно зависит от их свойств.

По своей физической природе радиоволны относятся к электромагнитным поперечным волнам и на шкале электромагнитных волн (рис. 1.4) занимают участок от 100 км до 0,1 мм.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью света, равной 300 000 км/сек. Определенной частоте или периоду колебаний в антенне соответствует определенная длина волны. Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется электромагнитная энергия в течение одного периода

Таблица 1.

Классификация радиоволн

 

Название	Диапазон длин волн	Диапазон частот	Нерекомендуемый термин
Мириаметровые	100...10 км	3...30 кГц	Сверхдлинные
Километровые	10...1 км	30...300 кГц	Длинные (ДВ)
Гектометровые	1000...100м	300...3000 кГц	Средние (СВ)
Декаметровые	100...10 м	3...30 МГц	Короткие (КВ)
Метровые	10...1 м	30...300 МГц	Ультракороткие (УКВ)
Дециметровые	100...10 см	300...3000 МГц
Сантиметровые	10...1 см	3...30 ГГц
Миллиметровые	10...1мм	30...300 ГГц
Децимиллиметровые	1...0,1 мм	300...3000 ГГц	Субмиллиметровые
Световые	< 0,1 мм	> 3000 ГГц

 

Рис.2. Обобщенная функциональная схема радиолинии.

Наиболее общей задачей решаемой радиотехникой является передача на расстояние информации и ее извлечение из ЭМ колебания.

Информация может быть любая: изменение температуры, давления, человеческая речь. Перенос информации в пространстве осуществляется с помощью ЭМ волн.

На рис.1 представлена наиболее типичная линия радиосвязи.

Обычно информация источника неэлектрического происхождения, да и скорость изменения передаваемой информации достаточно низка. Поэтому нужно устройство преобразования неэлектрической величины в электрическое колебание. Также требуется его усиление.

Однако низкочастотный сигнал невыгодно непосредственно излучать в открытое пространство. Герц считал бесперспективным использовать ЭМВ для передачи на большие расстояния.

Высокочастотные колебания (начиная со 100 кГц) при  приемлемых размерах передающих антенн эффективно излучают. Поэтому было предложено использовать высокочастотное колебание как вспомогательное (несущее), необходимую для передачи информацию закладывать в один из параметров этого колебания: амплитуду, частоту или фазу. (модуляция).

Модуляция – процесс изменения амплитуды. Частоты или фазы под действием низкочастотного эклектического сигнала, в котором заключается полезное сообщение – осуществляется в модуляторе.

Данный сигнал или усиленный подводится к антенне, преобразующей энергию электрического тока в энергию ЭМ поля.

Мощность сигнала в приемной антенне нужно усиливать. Поскольку работает большое число передатчиков одновременно, то в приемной антенне существует множество электрических сигналов, различающихся несущими частотами, то есть должна быть обеспечена частотная избирательность (селекция) для необходимости выделения полезного сигнала по частотному признаку.

Далее сигнал усиливают (10⁵-10⁷) и полезную информацию переносят на другую несущую частоту – промежуточную.

Детектор извлекает полезную информацию и опять усиление мощности сигнала.

Таким образом можно заключить, что наиболее частые операции в радиоэлектронной аппаратуре: генерирование электрических колебаний, частотную селекцию сигналов, усиление, модуляцию, детектирование и преобразование частоты. Также часто нужно ограничивать колебания на определённом уровне и проводить сравнение двух и более сигналов.

Так как все устройства в которых реализуются вышеперечисленные операции содержат электронные приборы и пассивные цепи то рассмотрим работу и свойства электронных приборов и некотрых пассивных цепей, содержащих катушки индуктивности, конденсаторы и резистры.

Рис.4.

Иногда производную  называют проводимостью, а величину ей обратную, - сопротивлением ЭП переменному току или крутизной ВАХ S в рабочей точке.

Если численное значение ВАХ неизвестно то его можно найти по графику. Или усредненное – линеаризация ВАХ.

Более общим является расчет радиоэлектронных схем с применением эквивалентных схем (схем замещения) ЭП по переменному току. Эквивалентная схема – это схема реакция которой на входной сигнал идентична реакции ЭП.

Два подхода: представить в виде сопротивлений, емкостей, индуктивностей, источников токов или ЭДС (физическая), или формальная – не обращаясь к внутренним процессам установив лишь формальные зависимости между током напряжением. Это активный четырёхполюсник, для которого нужно знать соответствующие коэффициенты.

Лекция 2

Полупроводниковые приборы.

Терморезисторы

Форма, габариты и конструктивные особенности современных терморезисторов весьма разнообразны: их выполняют в виде дисков, миниатюрных бусинок, плоских прямоугольников и др.

В зависимости от типа используемого полупроводникового материала и габаритов чувствительного элемента исходное сопротивление терморезисторов составляет от нескольких Ом до десятков мегОм.

Рис.1. Простейшая цепь с терморезистором

На рис.1. изображена простейшая электрическая цепь, состоящая из терморезистора RK и линейного резистора R, величина которого не зависит от температуры. Если к этой цепи приложить напряжение Е, в ней установится некоторый ток I, величина которого определяется из решения системы уравнений:

Е = U _Т + U_R = U _Т + IR,             (1)

U _Т = f (I),                        (2)

где U _Т   — падение напряжения на терморезисторе в установившемся режиме.

Зависимость (2) представляет собой вольт-амперную характеристику терморезистора (рис. 2) с тремя основными участками: ОА, АВ и ВС. На начальном участке ОА характеристика линейная, так как при малых токах мощность, выделяющаяся в терморезисторе, мала и практически не влияет на его температуру. На участке АВ линейность характеристики нарушается. С ростом тока температура терморезистора повышается, а его сопротивление (вследствие увеличения числа электронов и дырок проводимости в материале полупроводника) уменьшается. При дальнейшем увеличение тока на участке ВС уменьшение сопротивления оказывается столь значительным, что рост тока ведет к уменьшению напряжения на терморезисторе. В конце участка ВС вольт-амперная характеристика все более приближается к горизонтальной линии параллельной оси абсцисс. Это и позволяет использовать некоторые типы терморезисторов для стабилизации напряжения.

Рис.2. Вольт-амперная характеристика терморезистора

Характерным для цепи, содержащей терморезистор RK и линейный резистор R, является резкое, скачкообразное нарастание или убывание тока, вызванное изменением сопротивления терморезистора. Это явление получило название релейного эффекта. Реллейный эффект может произойти в результате изменения температуры окружающей среды или величины приложенного к цепи напряжения. Релейный эффект используется в разнообразных схемах тепловой защиты, температурной сигнализации, автоматического peгулирования температуры и т. д.

Помимо вольт-амперной характеристики, важнейшей xapaктеристикой терморезистора является зависимость его сопротивления от температуры. Типичная температурная характеристика R = φ (Т) терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом приведена на рис. 3.

Рис.3. Температурная характеристика терморезистора с

отрицательным коэффициентом

Важнейшими параметрами терморезисторов являются:         

Номинальное (холодное) сопротивление — сопротивление рабочего тела терморезистора при температуре окружающей среды 20 °С, Ом..

Температурный коэффициент сопротивления α_Т, выражающий в процентах изменение абсолютной величины сопротивления рабочего тела терморезистора при изменении температуры на 1 ⁰С. Обычно значение α_Т приводится для температуры 20 °С. Значение для любой температуры в диапазоне 20—150 °С определяется из соотношения:

,

где  — коэффициент температурной чувствительности, зависящий от физических свойств материала, К; Т₁ — исходя температура рабочего тела; Т₂ — конечная температура рабочего тела для которой определяется значение α_Т; R_Т1 и R_Т2— сопротивления рабочего тела терморезистора при температурах соответственно Т₁ и Т₂.

Наибольшая мощность рассеивания — мощность, при которой терморезистор, находящийся при температуре 20 °С, разогревается протекающим током до максимальной рабочей температуры.

Максимальная рабочая температура — температура, при которой характеристики терморезистора остаются стабильными длительное время (в течение указанного срока службы).

Постоянная времени τ — время, в течение которого температура терморезистора становится равной 63 ^СС при перенесении его из воздушной среды с температурой 0 °С в воздушную среду с температурой 100 °С, с. Таким образом, параметр τ характеризует тепловую инерцию терморезистора.

Постоянная времени τ представляет собой отношение теплоемкости С к коэффициенту рассеивания b:

τ = С / b.

Теплоемкость С — количество тепла, которое необходимо сообщить терморезистору, чтобы повысить температуру рабочего тела на 1 ⁰С, Дж/°С.

Коэффициент рассеивания b — мощность, рассеиваемая терморезистором при разности температур рабочего тела и окружающей среды в 1 °С, Вт/град.

Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом используются для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации различных элементов электрической цепи, работающих в широком интервале температур, измерения мощности высокочастотных колебаний и индикации лучистой энергии, стабилизации напряжения в цепях постоянного и переменного токов, в качестве регулируемых бесконтактных резисторов и т. п.

Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (позисторы) изготовляются на основе титаната бария, легированного специальными примесями, которые в определенном интервале температур увеличивают свое удельное сопротивление на несколько порядков.

Фоторезисторы

Фоторезисторы изготовляются на основе сульфида кадмия, селенида кадмия, сернистого свинца, а также поликристаллических слоев сернистого и селенистого кадмия. Конструкции фоторезисторов разнообразны. Светочувствительные элементы обычно помещаются в пластмассовый или металлический корпус, а в отдельных случаях, когда требуются малые габариты, выпускаются без корпуса.

Фоторезистор включается в цепь последовательно с источни­ком напряжения и сопротивлением нагрузки.

Если фоторезистор находится в темноте, то через него течет темновой ток:

где Е — э. д. с. источника питания; R_т — величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением, R_Н — сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток:

Разность между световым и темновым током дает значение тока I_ф, получившего название первичного фототока проводимости:

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.

Основными характеристиками фоторезисторов являются:

Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна (рис. 5, а).

Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную амперную характеристику (рис. 5, б). Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люксамперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.

Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые — в красной, а сернисто-свинцовые—в инфракрасной (рис. 5, в).        

Частотная, характеризующая чувствительность фоторезистов при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока — с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (рис. 5, г).

Основные параметры фоторезисторов:

Рабочее напряжение U _р — постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатацион­ных условиях.

Максимально допустимое напряжение фоторезистора U_max - максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях.      

Рис. 5. Характеристики фото резисторов:

а) вольтамперная; б) световая; в) спектральная; г) частотная

 

       Темновое сопротивление R_T — сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.     

       Световое сопротивление R _с — сопротивление фоторезистора измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

       Кратность изменения сопротивления К _R — отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при oпpеделенном уровне освещенности (световому сопротивлению).           

       Допустимая мощность рассеяния — мощность, при которой не наступает необратимых изменений параметров фоторезистора в процессе его эксплуатации.          

       Общий ток фоторезистора - ток, состоящий из темннового тока и фототока.    

       Фототок — ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.    

       Удельная чувствительность — отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение:

где I_ф — фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и при определенной освещенности, мкА; Ф — падающий световой поток, лм; U — напряжение, приложенное к фоторезистору, В.                                                                                   

Интегральная чувствительность — произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение:

Постоянная времени τ_ф — время, в течение которого фототок изменяется на 63 %, т. е. в е раз (е ≈ 2,718).

Постоянная времени характеризует инерционность прибора.

Варисторы

Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы с токопроводящим элементом, выполненным из карбида кремния и керамического связующего материала. Некоторые полупроводниковые варисторы предназначены для применения в микросхемах.

Схема включения варистора приведена на рис. 6, а. С увеличением
приложенного напряжения сопротивление варистора уменьшается, а ток, протекающий в цепи, нарастает. Основной особенностью варистора является нелинейность его вольт амперной характеристики (рис. 6, б), которая объясняется явлениями, происходящими на контактах и на поверхности кристаллов карбида кремния. Также применяют оксид цинка, имеющий больший коэффициент нелинейности, однако менее стабилен в работе.

При повышении напряжения, приложенного к варистору, возникает напряженность электрического поля между отдельными кристаллами. Это сопровождается электростатической эмиссией с острых зубцов и граней кристаллов карбида кремния. Одновременно происходит пробой оксидных пленок, образующихся на поверхности кристаллов, а также микронагрев контактных точек между кристаллами.

Рис.6. Схема включения (а) и типовая вольт амперная

характеристика варистора (б)

 

Все это приводит к повышению проводимости варистора, причем полярность приложенного напряжения существенного значения не имеет — нелинейный рост тока через прибор наблюдается при повышении напряжения любой полярности. Так как вольт амперная характеристика симметрична, варистор может быть использован в цепях и постоянного, и переменно тока.

Основные параметры варисторов:

Статическое сопротивление R _ст — значение сопротивления варистора при постоянных величинах тока и напряжения:

Динамическое сопротивление R _Д — сопротивление варистора
переменному току:                                                                       

Динамическое сопротивление в данной точке вольтамперной характеристики может быть определено по тангенсу угла наклона касательной к вольтамперной характеристике.      

Коэффициент нелинейности β — отношение статического сопротивления в выбранной точке вольтамперной характеристики к динамическому сопротивлению в этой же точке:

Величина β положительна. Для выпускаемых в настоящее время варисторов она имеет значение порядка 2...6 в зависимости от типа и номинального напряжения варистора.         

Показатель нелинейности α — величина, обратная коэффициенту не линейности:

В широком диапазоне напряжений и токов выражение для вольтамперной характеристики варистора может быть представлено в виде:

где А и В — постоянные коэффициенты, связанные между собой соотношением:

В = А^-1/α = А^-β.

Классификационное напряжение – напряжение на варисторе при данном значении тока.

Классификационное напряжение не является рабочим эксплуационным напряжением варистора, которое выбирают исходя из допустимой мощности рассеивания варистора и значения допустимой амплитуды напряжения. Допустимая амплитуда импульсного напряжения обычно указывается в технических условиях на варистор.

Классификационный ток — ток, при котором определяют классификационное напряжение варистора.

Температурный коэффициент тока — характеризует изменение (повышение) электропроводности варистора с ростом температуры:

где I₁ — ток при температуре t₁ равной 20 ± 2 °С; I₂ — ток при температуре t ₂, равной обычно 100 ± 2 °С.

Допустимая мощность рассеивания — мощность, при которой варистop сохраняет свои параметры в заданных техническими условиями пределах в течение срока службы.

Современные варисторы используются в разнообразных электрических схемах: для защиты приборов и элементов схем от перенапряжений; стабилизации напряжения и тока; регулирования и преобразования электрических сигналов.

 

2. Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочным (или p-n) переходом называют область на границе двух полупроводников, обладающих различными типами проводимости. Толщина электронно-дырочного перехода обычно достигает от 100 нм до 1 мкм. Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт которого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина p-n перехода – десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряжённости электрического поля – на границе раздела.

 

 

 

Рис.7. Энергетическая диаграмма p-n -перехода.

a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении

 

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением.

Если же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространственного заряда, то это приведет лишь к увеличению областей пространственного заряда, и ток через p-n-переход не идёт. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением. Между областями полупроводника, разделенными обедненным слоем, возникает некоторая разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов. Протекающий ток неосновных носителей, вызванный наличием электрического поля в переходе называется дрейфовым током p-n перехода. Дрейфовый ток направлен навстречу диффузионного. Когда внешнее напряжение не приложено, то дрейфовый ток равен диффузионному и общий ток через p-n переход равен нулю.

Энергетическая диаграмма показана на рис.7.

Нужно отметить, что области полупроводника уподобляются пластинам конденсатора, а обедненный слой между ними – диэлектрическому слою. p-n переход характеризуется определенной емкостью зависящей от площади контакта и ширины обедненного слоя.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, содержащий один электронно-дырочный переход.

К р- и n -областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металличе­ский, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый кор­пус.

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая бо­лее высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, — базой. Если эмиттером является р -область, для которой основными носителями заряда служат дырки р _р, а ба­зой n -область (основные носители заряда —электроны п_п), то вы­полняется условие: р_р» n_n.

К основным свойствам p-n перехода относятся: свойство односторонней проводимости; температурные свойства p-n перехода; частотные свойства p-n перехода; пробой p-n перехода.

ВАХ описывается выражением:

(2.2.)

где U д —напряжение на р-п- переходе; φ_г = κΤ/q — тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов φ_к на границе р - п -перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т= 300 К, φ_г = 0,025 В); k — постоянная Больцмана; Т —абсолютная темпе­ратура; q — заряд электрона, I₀ – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда.

При отрицательных напряжениях порядка 0,1...0,2 В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно прене­брегать (е ^-4 ≈0,02), при положительных напряжениях, превышаю­щих 0,1 В, можно пренебрегать единицей {e⁴ ≈ 54,6), поэтому ВАХ, описываемая этими выражениями, будет иметь вид, приведенный на рис.8.

  Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтамперной характеристике (рис.8). При увеличении прямого напряжения прямой ток изменяется по экспоненциальному закону. При этом температура также влияет на расположение кривой ВАХ.

 

Рис.8. ВАХ идельного p-n перехода.

 

Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что p-n переход проводит ток только в одну сторону.

Пробой p-n перехода (рис. 9).  Iобр = - Io

Рис.9. ВАХ реального p-n перехода.

 

При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока.

 Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода. Электрический пробой – это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения p-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счёт теплового действия тока и p-n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем p-n перехода. Тепловой пробой необратим.

Нужно отметить, что протяженность реального р-п -перехода также не бесконечна. Поверхность полупроводникового кристалла характеризуется дефектами кристаллической решетки и различными загрязне­ниями, что обусловливает рекомбинационно-генерационные про­цессы на поверхности p - n -перехода и приводит к появлению допол­нительного тока — тока утечки I _ут. Таким образом, обратный ток реального диода равен:

При нарушениях технологического процесса, когда появляется возможность попадания различных загрязнений на поверхность полупроводникового диода, ток утечки может составлять основную часть обратного тока диода, значительно превышая токи I _ген и I ₀ и даже шунтируя p - n -переход.

Классификация диодов

Классификация диодов представлена в табл.1. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые на практике.

Таблица 1

Признак классификации	Наименование диода
Площадь перехода	Плоскостной Точечный
Полупроводниковый материал	Германиевый Кремниевый Арсенид галлиевый
Назначение	Выпрямительный Импульсный Сверхвысокочастотный Стабилитрон (стабистрон) Варикап и т.д.
Принцип действия	Лавинно-пролетный Туннельный Диод Шотки Излучающий Фотодиод Диод Ганна

 

Выпрямительный диод, условное графическое обозначение ко­торого приведено на рис. 10.1, использует вентильные свойства р-п- перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямитель­ных диодов используют в основном германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ (ЭК), управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном — разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения за счет падения напряжения U _пр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагру­зочного устройства, несколько ниже входного напряжения. Основными параметрами выпрями­тельных диодов являются:

I_{пр ср. max}— максимальное (за период входного напряжения) зна­чение среднего прямого тока диода;

U _{обр доп} — допустимое наибольшее значение постоянного обрат­ного напряжения диода;

f_max — максимально допустимая частота входного напряжения;

U _пр — прямое падение напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифицируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные (I_{пр ср. max}≤ 0,3 А); средней мощности (0,3 А ‹I_{пр ср. max} ≤ 10 А); большой мощности (I_{пр ср. max}» 10 А).

По частоте: низкочастотные (f_max ‹ 10³ Гц); высокочастотные (f_max › 10³ Гц).

 

Рис. 10. Условные графические обозначения полупроводниковых приборов:

1 — выпрямительный и импульсный диод; 2 стабилитрон и стабистрон; 3 —симметричный стабилитрон; 4 — варикап; 5 — туннельный диод; 6 — излучающий диод: 7 — фото диод; 8 — биполярный трагинстор р-п-р-типа; 9 — биполярный транзистор п- p -п-типа; 10 - полевой транзистор с управляющим  р-п-переходом и п-каналом; 11 — полевой транзистор с управляющим р-п-переходом и р-каналом; 12 — МДП транзистор с встроенным п- каналом; 13 — полевой транзистор с встроенным р-каналом; 14 - МДП транзистор с индуцированным п-каналом; 15 — МДП транзистор с индуцированным р-каналом; 16 – динистор;  17, 18 — тринистор с управлением соответственно по катоду и аноду, УЭ — управляющий электрод

Импульсный диод — полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий (как и выпрямительный диод) при своей работе прямую и обратную ветви. Длительность переходных процессов в диоде обусловлена пере­зарядом емкостей С_диф и С_зар. При малых уровнях инжекции основную роль в переходных процессах играет процесс перезаряда барьерной емкости С_зар. При больших уровнях инжекции про­цессы накопления и рассасывания заряда являются превалирую­щими. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром — временем восстанов­ления τ_вос его обратного сопротивления. Поэтому кроме основных парамет­ров характеризующих выпрямительные свой­ства, для импульсных диодов вводится параметр τ_вос, характери­зующий их быстродействие. В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.

Диод Шоттки. Основой является так называемый переход Шоттки, возникающий на границе металла, уровень Ферми которого находится в зоне проводимости, и полупроводника электронного типа проводимости, который имеет более низкую работу выхода, чем у металла. Для успешного функционирования перехода Шоттки приграничная область полупроводника должна быть бедна электронами, чтобы она обладала более низкой проводимостью, чем остальная часть полупроводникового кристалла.

Для изготовления переходов Шоттки в качестве полупроводника обычно используют кремний, а применяемые металлы и химические соединения – это золото, силицид платины, молибден и другие. Переход Шоттки не получить простым соприкосновением металла и полупроводника, а на металлическую пластину по технологиям эпитаксиального наращивания или напыления в вакууме наносят пленку полупроводника.

К достоинствам последних относят чрезвычайно малый обратный ток, который для отдельных диодов Шоттки может составлять единицы пикоампер, возможность работы компонентов отдельных марок на частотах до сотен гигагерц и даже выше. Некоторые мощные диоды Шоттки, которые используют в высокочастотных выпрямителях импульсных источников питания, допускают прямые токи в сотни ампер. Прямое падение напряжения на переходе Шоттки меньше, чем у типового электронно-дырочного перехода.

Основными недостатками диодов Шоттки выступают высокая стоимость используемых материалов и довольно низкое максимально допустимое обратное напряжение, которое обычно составляет всего лишь от 25 В до 150 В. Выдерживающие более высокие обратные напряжения диоды Шоттки (например, 400 В, 600 В), обычно получают последовательным соединением нескольких переходов Шоттки. От этого падение напряжения на сборке диодов Шоттки в прямом включении станет примерно таким же, или даже большим, чем у аналогичного по некоторым параметрам диода с электронно-дырочным переходом.