Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов.

ВАХ идеального p-n перехода

 

Iпр

 

 

ВАХ реального p-n перехода

 

А

 

 

Uобр

 

 

Uа Uпр

 

 

Iобр

 

Рис. 31

Вольтамперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехо- да: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет наклон, так как за счёт возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носи- телей заряда.

 

 

Iпрmax

Iпр

 

Iпр

 

 

 

Uэл.проб. Uобр max

 

Uобр

I'пр

 

 

Uпр

 

Uобр

Iобр.

U'пр Uпр

max

Uпрmax

 

 

Iобр

Рис. 32

· Максимально допустимый прямой ток Iпр.max.

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

· Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max = (⅔ ÷ ¾) ∙ Uэл.проб.

· Обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении Iобр.max.

· Прямое и обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратном

 

напряжениях:

RсT. пр = Unp.;

Inp.

RсT. обр = Uoб r.

Ioб r.

 

· Прямое и обратное динамическое сопротивление диода:

Riп r=D Uп r;

D Iп r.

Riп r= Uп r- U ' п r;

Iп r- I ' п r

Rioб r=D Uoб r;

D Ioб r.

Rioб r= Uoб r- U ' oб r.

Ioб r- I ' oб r

Выпрямительные диоды

Общая характеристика выпрямительных диодов

Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей

1) Общая характеристика выпрямительных диодов. Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоян-

ный в силовых цепях, то есть в источниках питания. Выпрямительные диоды всегда плоскост-

ные, они могут быть германиевые или кремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят герма- ниевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряже- нию, а также имеют меньший обратный ток.

Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов (смотрите рисунок 33).

VD1

Rд1

 

 

VD2 Rд2

 

 

VD3

Rд3

 

 

Рис. 33

Добавочные сопротивления Rд величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью вы- равнивания токов в каждой из ветвей.

Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов (смотрите рисунок 34).

Rш1

Rш2

Rш3

 

VD1 VD2 VD3

 

 

Рис. 34

 

Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания па- дения напряжения на каждом из диодов.

2) Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей. Диоды в схемах выпря- мителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток – малый КПД.

TV1 VD1

 

+(-)

Rн

 

 

-(+)

 

Рис. 35

Iпр Iн

 

Uо бр 0

Uпр

t1 t2 t3

 

t

+

t1

 

-

t2

 

+

t3

 

t

 

Р ис. 3 6

 

Значительно чаще применяются двухполупериодные выпрямители.

 

 

 

 

TV1 +(-)

 

~

 

-(+)

VD1

 

VD2

 

VD3

VD4

Rн

 

 

Рис. 37

 

Ua

+ +

 

 

-

 

 

Iн

 

Рис. 38 t

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 – закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-).

В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагруз- ка, диод VD2, верхняя ветвь (-).

Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полуперио- да. Схема выпрямителя называется двухполупериодной.

Если понижающий трансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторич- ной обмотки, то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах (смотрите рисунок 39).

 

TV1

+ VD1

 

Rн

~

VD2

 

+

Рис. 39

Стабилитроны, варикапы, светодиоды и фотодиоды

Стабилитроны

Варикапы

Фотодиоды

Светодиоды

1) Стабилитроны. Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения. Стабилизация – поддержание какого-то

уровня неизменным. По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые. Прин-

цип действия стабилитрона основан на том, что на его вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока.

 

Iпр

 

Uобр Uст

Uпр

 

Iстmin

 

 

Iстном

 

Iстmax

 

 

Iст

 

Рис. 40

Таким участком является участок электрического пробоя, а за счёт легирующих добавок в по- лупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой.

Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включает- ся обратным включением (смотрите рисунок 40).

URo

 

+ Ro Rн

 

 

Uвх

-

VD1

 

Рис. 41

Резистор Ro задаёт ток через стабилитрон таким образом, чтобы величина тока была близка к среднему значению между Iст.min и Iст.max. Такое значение тока называется номинальным то- ком стабилизации.

Принцип действия. При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro может уменьшаться, а напряжения на стабилитроне и на нагрузке останутся постоянными, исходя из вольтамперной характеристики. При увеличении входного напряже- ния ток через стабилитрон и URo увеличивается, а напряжение на нагрузке всё равно остаётся постоянным и равным напряжению стабилизации.

Вывод: стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от Iст.min до Iст.max.

Основные параметры стабилитронов:

Напряжение стабилизации Uст.

Минимальное, максимальное и номинальное значение тока стабилизации Iст.min, Iст.- max, Iст.ном. (смотрите рисунок 42).

 

Iпр

 

 

Uст

D Uс т

 

Uо б р

 

Iстmin

Uпр

 

Iс т

 

н о м

 

 

Iс т

 

ma x

 

 

Iст

 

Р ис. 4 2

ΔUст. – изменение напряжения стабилизации.

Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации:

Rcт =D Ucт =

D Icт

D Ucт

Icт. max- Icт. min

Температурный коэффициент стабилизации

 

Iпр

 

Uст' Uст

 

Uобр

 

 

Iстmin

 

 

Uпр

 

 

Iстном

 

 

0 0

2 1

Iстmax

 

 

Iст

 

Рис. 43

 

a ст =

D Ucт

Ucт ×D t

 

× 100%

D Ucт. t = Ucт '- Ucт

D t = t 20

- t 10

Стабилитроны, предназначенные для стабилизации малых напряжений, называются стабисто- рами.

Стабисторы – для стабилизации напряжения менее 3В, и у них используется прямая ветвь

ВАХ (смотрите рисунок 44).

I Iст.max

 

Iст.min

 

D Uст. U

 

Рис. 44

Применяются стабисторы в прямом включении.

Варикапы.

Варикапом называется полупроводниковый диод, у которого в качестве основного параметра

используется барьерная ёмкость, величина которой варьируется при изменении обратного напряжения. Следовательно, варикап применяется как конденсатор переменной ёмкости, управляемый напряжением.

 

 

- +

- +

- +

p - + n

 

D X

j

 

X

 

D X '

 

 

Р и с. 4 5

 

Принцип действия. Если к p-n переходу приложить обратное напряжение, то ширина потен- циального барьера увеличивается.

Сб = e × e о × Sp - n

D Х

При подключении обратного напряжения ширина перехода ΔХ увеличивается, следовательно, барьерная ёмкость будет уменьшаться. Основной характеристикой варикапов является вольт- фарадная характеристика С=f(Uобр).

 

С

 

 

Uобр

 

Рис. 46

Основные параметры варикапов.

Максимальное, минимальное и номинальное значение ёмкости варикапа.

C max

Коэффициент перекрытия k = - отношение максимальной ёмкости к минимальной.

C min

Максимальное рабочее напряжение варикапа.

3) Фотодиоды. Фотодиодом называется фотогальванический приёмник излучения, светочув- ствительный элемент которого представляют собой структуру полупроводникового диода без внутреннего усиления.

Принцип действия. При облучении полупроводника световым потоком Ф возрастает фотоге- нерация собственных носителей зарядов (смотрите рисунок 47), что приводит к увеличению количества как основных, так и неосновных носителей зарядов.

Ф

 

p

- - - -

+ + + +

n

 

Рис. 47

Однако фотогенерация в значительной степени будет влиять на обратный ток, так как не основных носителей зарядов значительно меньше, чем основных.

 

Iпр

 

 

Uобр

 

Ф1=0

Uпр

 

Ф2>0

 

Ф3>Ф2

 

 

Iобр=Iф

 

Рис. 48

Для фотодиодов Iобр – это фототок. Зависимость фототока Iф от величины светового потока

Iф=f(Ф) (смотрите рисунок 49).

Iф

 

Ф Рис. 49

Спектральная характеристика – это зависимость фототока от длины волны светового излуче- ния Iф=f(λ).

 

Iф Si Ge

 

l

Рис. 50

Темновой ток – ток через фотодиод при отсутствии светового потока и при заданном рабочем напряжении.Фотодиод на порядок чувствительнее фоторезистора.

Iф

Интегральная чувствительность – это отношение фототока к световому потоку S =.

Ф

Рабочее напряжение – это обратное напряжение, подаваемое на фотодиод, при котором все

параметры фотодиода будут оптимальными.

Фотодиод может работать в преобразовательном режиме(аналогично фоторезистору с посторонним источником питания) и в генераторном режимесам фотодиод является источником питания).

 

 

VD1 Rн

 

 

+ E -

Рис. 51

4) Светодиоды. Светодиодом называется полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения. Принцип действия. При прямом включении основные носители заряда переходят через p-n переход и там рекомбинируют. Рекомбинация связана с выделением энергии. Для большинства полупроводниковых материалов это энергия тепловая. Только для некоторых ти- пов на основе арсенида галлия ширина запрещённой зоны ΔW достаточно велика, и длина волны лежит в видимой части спектра.

l= h

D W

При обратном включении через p-n переход переходят неосновные носители заряда в область,

где они становятся основными. Рекомбинация и свечение светодиода отсутствуют. Основные характеристики:

а) Яркостная характеристика – это мощностная зависимость излучения от прямого тока

Pu=f(Iпр).

Pu

 

 

Рис. 52

Iпр

б) Спектральная характеристика – это зависимость мощности излучения от длины волны

Pu=f(λ).

 

Pu

 

 

Рис. 53

Основные параметры: яркость свечения при максимальном прямом токе; полная мощность излучения Pu.max.

Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды

Импульсные диоды

Диоды ВЧ

СВЧ диоды

1) Импульсные диоды. Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до нескольких мкс. Рассмотрим работу обычного

p-nперехода при подаче на него импульсного напряжения.

 

- +

- - +

- - +

Uвх p - +

-

- Rн

-

-

n

 

Рис. 54

Uвх

 

0 t1 t2

t

 

 

Iн

 

tуст. t

 

 

tвосст.

 

 

Рис. 55

В промежуток времени от 0 до t1 p-n переход закрыт (обратным напряжением пренебрегаем). В момент t1 p-n переход открывается, но ток через него и через нагрузку достигает своего мак- симального, то есть установившегося значения, не мгновенно, а за время tуст., которое необхо- димо для заряда барьерной ёмкости p-n перехода.

В момент времени t2 p-n переход почти мгновенно закрывается. Область p-проводимости ока- зывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Не успевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p-n перехода возвращаются в n-об- ласть, за счёт чего сильно возрастает обратный ток. По мере ухода электронов из p-области обратный ток уменьшается, и через время tвосст. p-n переход восстанавливает свои

«закрытые» свойства. В импульсных диодах время восстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсные диоды конструктивно выполняются точечны- ми или микросплавными. Толщина базы диода делается минимальной. Полупроводник леги- руют золотом для увеличения подвижности электронов.

2) Диоды ВЧ. Это универсальные диоды, которые могут быть детекторными, модуляторны- ми, импульсными при достаточных длительностях импульса, и даже выпрямительными при малых токах нагрузки. Основное отличие ВЧ диодов – обратная ветвь вольтамперной характе- ристики плавно понижается (увеличивается обратный ток, постепенно переходя в область электрического пробоя) (смотрите рисунок 56).

 

I

 

 

U

 

Рис. 56

 

Такое понижение обратной ветви ВАХ объясняется усиленной термогенерацией собственных носителей зарядов на малой площади p-n перехода.

Микросплавные ВЧ диоды имеют бóльшую барьерную ёмкость, чем точечные, и для того, чтобы их можно было использовать на высоких частотах, вблизи p-n перехода понижают кон- центрацию акцепторной и донорной примеси.

 

p

p-

n-

n

 

Рис. 57

 

Понижение концентрации примеси приводит к увеличению ширины p-n перехода, следова- тельно, к уменьшению барьерной ёмкости:

e × e о × Sp - n

Сб =

D Х

3) СВЧ диоды. На СВЧ используются диоды Шоттки и диоды с p-n переходом, площадь кото- рого значительно меньше, чем у точечных.

 

F

 

 

Р ис. 5 8

 

Заострённая вольфрамовая проволока в виде пружины прижимается к базе с определённым усилием, за счёт чего образуется очень малой площади p-n переход.

Биполярные транзисторы

Устройство, классификация и принцип действия биполярных транзисторов