По перетворювальній потужності

 

Малопотужні Середньої потужності Високої потужності

до 0,5 А до 10 А більш ніж 10 А

 

Основні характеристики і параметри діодів

 

У діодів в рівноважному стані через p-n-перехід проходять дві складові струму, які находяться в динамічній рівновазі.

- зворотний струм насичення

 

Рисунок 7 Електричні процеси в діоді в рівноважному стані

 

При прямому ввімкнені діода понижується потенціал p-n-переходу, збільшується дифузійна складова, яка залежить від прикладеної напруги і температурного потенціалу (φ_т). В цьому випадку вольт-амперна характеристика ідеального діода буде відповідати вольт-амперній характеристиці ідеального p-n-переходу.

Вольт-амперна характеристики залежить від температурних властивостей напівпровідників. Ця залежність нелінійна, і для практичного використання прийнято, що на кожні 10 ^oC зміни температури зворотний струм переходу збільшується в два рази.

; ;

Для реального діоду при визначенні вольт-амперних характеристик необхідно врахувати падіння напруги на омічному опорі бази (r_б).

Крім опору бази у реальних діодів необхідно враховувати ємність p-n-переходу, тому що накопичення зарядів в областях еквівалентно ємності. Основну роль у діодів при прямому включенні відіграє дифузійна ємність, яка в процесі роботи ввімкнена паралельно з малим опором p-n-переходу, тому стала часу перехідних проходів буде дуже малою і її практично можна не враховувати.

При зворотному включенні основну роль буде відігравати бар’єрна ємність, яка ввімкнена паралельно з великим опором зворотно ввімкненого p-n-переходу.

Це паралельне включення ємності і зворотного опору p-n-переходу визначає частотні властивості діодів. Виходячи із цього діоди розподіляють на групи за частотними властивостями. Якщо величини опорів стають практично однакові, то діод втрачає односторонню провідність.

До основних параметрів діоду, крім ємності та опору, відносяться:

1) максимально допустима зворотна напруга діоду U_звмах; це напруга, яка може бути підключена до діоду і p-n-перехід може працювати при цій напрузі довгочасно.

2) середній випрямлений струм – це значення струму, яке проходить за період.

3) імпульсний струм – це максимальне значення прямого струму при заданій шпаруватості імпульсів і тривалості.

4) середній зворотній струм діоду – це середнє значення зворотного струму за період.

5) середнє значення прямої напруги на діоді при середньому значенні струму діода.

6) середній час відходу основних носіїв із p-n-переходу.

7) максимальна випромінююча потужність діода при проходженні струму в прямому напрямі.

8) диференційний опір діода.

 

Випрямні площинні діоди

Це діоди, які використовуються для перетворення змінного струму низької частоти в струм постійного напряму. В залежності від призначення діоди виготовляють із германію або кремнію.

 

Германієві діоди

Технологічно виготовляються шляхом плавлення в германії провідністю типу n – індію. Площа p-n-переходу залежить від струму, який може проходити через p-n-перехід. Розраховують цю площу виходячи із допустимої щільності струму, яка для германію становить 100 А/см² . Виходячи з цього германієві діоди виготовляються на робочі струми I_д = 0,3 – 1000A.Основна перевага цих діодів – дуже мале падіння напруги при включенні в прямому напрямі, якщо сильно легований напівпровідник. Тому пряме падіння напруги в германієвім діоді не більше ніж 0,3 – 0,4 В.

І_д=0,3-1000А, U_зв ®400В, Т_max=(75-85) ^oC, f_max до 50кГц.

 

Рисунок 8 Вольт-амперна характеристика діода при різних температурах

 

При збільшенні температури навколишнього середовища зворотна напруга зменшується за рахунок збільшення носіїв заряду в переході і поблизу p-n-переходу, наслідком чого являється зменшення ширини p-n-переходу і в нормальних умовах ця напруга не перевищує 400 В для діоду. При прямому включенні при малих струмах зі збільшенням температури зменшується падіння напруги на діодах. При великих струмах в потужних діодах пряме падіння напруги буде залежати від опору бази, який збільшиться при збільшенні температури за рахунок зниження рухливості заряду і пряме падіння напруги може збільшуватися.

Германієві діоди в зворотних напрямах мають струм насичення, який змінюється при зміні температури. У германієвих діодів є тільки тепловий пробій, який обумовлений теплотою, яка виділяється на діоді при проходженні зворотного струму, зі збільшенням температури збільшується зворотній струм і зменшується зворотна максимальна напруга пробою. Вплив температури на параметри діода характеризують температурним коефіцієнтом напруги, як відношення приросту напруги до приросту температури.

ТКU – температурний коефіцієнт напруги.

(для германієвих діодів).

 

Кремнієві діоди

Технологія виготовлення кремнієвих діодів, така ж як і германієвих діодів, але допустима щільність струму в 2 рази більше (200А/см²).

Виготовляються на допустимий струм 0,5 – 1600А, за рахунок великої ширини забороненої зони максимальне падіння напруги на діоді досягає 1,5 В. Зворотна напруга у кремнієвих діодів набагато більше і досягає до 1600В і зі збільшенням температури збільшується зворотна напруга. Це пов’язано з тим, що у кремнієвих діодів основним являється лавинний пробій, а зі збільшенням температури рухливість носіїв заряду зменшується, відповідно для створення лавинного процесу розмноження носіїв треба збільшити напруженість електричного поля в p-n-переході, щоб електрон здобув енергію, необхідну для іонізації при співударі.

Частотні властивості кремнієвих діодів кращі і максимальна робоча частота досягає 100 кГц, максимальна робоча температура до 125⁰С.

Для перетворення високої напруги германієві діоди вмикаються послідовно і для вирівнювання зовнішньої напруги їх обов’язково необхідно шунтувати опором, тому що параметри діодів можуть різко відрізнятися один від одного. Кремнієві діоди мають більш постійні параметри, тому з них виготовляють для роботи в високовольтних електричних колах випрямні стовпи, де послідовно включено декілька діодів без шунтування. Такі прилади виготовляються на напругу до 10кВ.

Крім германієвих і кремнієвих діодів застосовуються селенові пластини. Вони виготовляються із пластин алюмінію або заліза, на які шарами наносяться нікель і селен. Алюміній і нікель створюють підкладку, після цього при температурі порядку 215⁰С наноситься шар селену, який перетворюється в аморфний стан, а для створення випрямляючого переходу на селен наносяться легкоплавкі матеріали (кадмій, вісмут). Після цього проводять формовку пластини, при цьому збільшують прямий струм, при якому відбувається спікання матеріалу, тобто формується p-n-перехід. Така пластина має зворотну напругу U_зв приблизно 60В, щільність струму – декілька десятків А/см².

Пластини некритичні, тому їх послідовно набирають до тієї напруги, яка необхідна для нормальної роботи. Пробій пластини відбувається не повністю, а тільки місцями, при цьому за рахунок розплавлення нанесених компонентів місце пробою затягується. При довгочасному зберіганні пластини розформовуються, і тому після зберігання необхідно провести формовку, а при роботі в схемі формовка відбувається за 2 –3 хвилини після включення.

 

Високочастотні діоди

 

До них відносять точкові і імпульсні.

Точкові виготовляються із напівпровідників типу n або p шляхом в плавлення металевого виводу. В зв’язку з тим, що рухливість носіїв заряду в металах більше ніж у напівпровідників, то навколо контакту створюється сферичний p-n-перехід із дуже малою площею. Сам напівпровідник має низьку степінь легування, в зв’язку з цим пряме падіння напруги при максимально допустимому струмі досягає одного двох вольт. Вони мають наступні технічні характеристики

І_д=100мА, U_зв®350В, U_пр®(1-2)В, С_бар®1пФ, f_max до 150МГц.

 

Рисунок 9 Вольт-амперна характеристика високочастотного діода

 

Крім бар’єрної ємності на частотні властивості впливає рекомбінація носіїв заряду, інжектованих із емітера. На частотах більше 150 мГц рекомбінація не встигає відбутися, тому діод втрачає односторонню провідність.

 

Імпульсні діоди

Імпульсний напівпровідниковий діод – це прилад, який застосовується для роботи в імпульсних режимах. Робота таких діодів відбувається при великих сигналах. При переключенні діодів з прямої напруги на зворотну в початковий момент часу можна спостерігати великий зворотний струм, який обмежується тільки послідовно ввімкненим опором бази. Інжектовані носії заряду із емітера в базу при прямому включенні повинні перейти в інший напівпровідник, або рекомбінувати в базі. Для цих процесів потрібний час, тому після переключення зворотний струм буде набагато більше зворотного струму насичення і для імпульсних діодів додатково вводиться параметр - час відновлення зворотного струму насичення, це час який проходить від початку переключення діодів до часу встановлення зворотного струму насичення. Якщо на діод подається імпульс струму, то струм миттєво змінитися не може до того часу, поки не відбудеться накопичення збиткових носіїв заряду в області бази. Виходячи з цього передній фронт імпульсу струму буде залежати від швидкості накопичення збиткових носіїв заряду і буде мати не прямокутну форму. В залежності від часу відновлення зворотного струму імпульсні діоди діляться на дві групи:

 

Рисунок 10 Перехідні процеси та еквівалентна схема імпульсного діода і позначення діода Шоткі

 

1) швидкісні, час відновлення: 0,1мкс <t_відн.<0,1мс

2) надшвидкісні: t_відн.<0,1мкс

Швидкісні діоди виготовляють із кремнію і час відновлення визначається перехідними процесами заряду і перезаряду ємності переходу.

Надшвидкісні виготовляються із переходом Шоткі, це пов’язано з тим, що такий діод має гетеро перехід, малу ємність (менше 1 nФ) переходу, тут не відбувається накопичення заряду, якому необхідно потім рекомбінувати або перейти із бази в інший провідник. Діоди із переходом Шоткі можуть працювати на частотах більше 1 мГц, мають зворотну напругу до 50 В і прямий імпульсний струм до 10 А.

 

Стабілітрони

При лавинному і тунельному пробоях p-n-переходу на зворотній ділянці вольт-амперної характеристики отримують ділянку вольт-амперної характеристики, у якої при зміні струму в деяких межах напруга практично залишається незмінною. Це використовується в діодах спеціального призначення, які отримали назву опорних діодів Зенера, або стабілітронів. У низьковольтних стабілітронів (до 6В) застосовується тунельний або змішаний пробої. Стабілітрони виготовляють із сильно легованого кремнію для того, щоб товщина p-n-переходу була якомога меншою. В результаті відбувається зміщення енергетичних рівнів напівпровідника і розщеплення енергетичних рівнів домішок так, що вони будуть знаходитися безпосередньо на рівні зони провідності, і при напрузі порядку (1–5)В відбувається тунельний пробій. У стабілітронів з напругою більше 6В відбувається лавинний пробій. Ці стабілітрони виготовляються із слабо легованого кремнію і

 

Рисунок 11 Вольт-амперна характеристика опорного діода та його позначення на схемах

 

при збільшенні зворотної напруги зростає напруженість електричного поля p-n-переходів, що дає можливість вільному електрону отримати енергію достатню для іонізації. При цьому наступає лавинний процес розмноження носіїв заряду. На початку цього процесу виникають шуми і для нормальної роботи стабілітрона необхідно збільшити струм для знешкодження шумів.

Основні параметри стабілітронів:

1) мінімальний і максимальний струми стабілізації

мінімальний (1–10)мА максимальний 50мA – 2000мA

2) напруга стабілізації

мінімальна 1В максимальна до 1000В

3) диференційний опір стабілітрона, який визначає якість стабілітрона. Чим менше диференційний опір, тим краще стабілітрон.

R_диф. = 0,1 Ом – 200 Ом

 

 

4)температурний коефіцієнт

Рисунок 12 Схема ввімкнення опорного діода

 

При збільшенні температури за рахунок процесів термічної генерації зменшується напруга. У стабілітронів з лавинним пробоєм рухливість носіїв зменшується і відповідно для створення лавинного розмноження необхідно збільшити напругу, щоб забезпечити електрон достатньою енергією для іонізації атома.

Рисунок 13 Вольт-амперна характеристика опорного діода

 

 

Для стабілізації напруги до 1В застосовуються спеціальні кремнієві діоди, які мають ділянки з приблизно постійною напругою на вольт-амперній характеристиці, такі діоди називаються стабісторами.

 

Тунельні діоди

 

Тунельний діод – це напівпровідниковий діод, створений на основі виродженого напівпровідника, який на вольт-амперній характеристиці прямого включення має ділянку з від’ємним опором.

В зв’язку із великою концентрацією домішок в областях, які прилягають до електронно-діркового переходу, створюється дуже вузька площа переходу, яка на 2-3 порядки менше, ніж в звичайному діоді. Через цю площу можуть вільно проходити носії заряду, і при відсутності зовнішньої напруги через такий p-n-перехід будуть відбуватися переміщення електронів із n – області в p – область і назад. При динамічній рівновазі через p-n-перехід проходять два однакові струми. При малій зовнішній напрузі відбувається зменшення висоти потенційного бар’єру і

зміщення енергетичної діаграми n – області по відношенню до енергетичної діаграми р – області. Вільні енергетичні рівні р – області будуть знаходитись на одній висоті з енергетичними рівнями n – області, зайнятими електронами. За рахунок цього збільшиться перехід електронів із n – області в р – область і струм буде підвищуватись. При деякій напрузі (напруга піка) струм за рахунок тунелювання електронів із n – області в р – область досягне свого максимального значення і при подальшому підвищені напруги тунельний струм через p-n-перехід буде падати, тому що кількість електронів, які являються вільними в n – області, буде зменшуватися, і при деякій напрузі, яка називається напругою впадини, в ідеальному тунельному діоді струм повинен бути рівний нулю, за рахунок зміщення

 

Рисунок 14 Вольт-амперна характеристика тунельного діода

 

енергетичних рівнів n і р – областей для вільних електронів. В реальному діоді через нього буде проходити інжекція неосновних носіїв заряду, обумовлена термічною генерацією пар електрон – дірка. Із збільшенням напруги струм тунельного діода буде зростати за рахунок інжекції, як і в звичайному діоді. При зворотному включенні за рахунок високого степеня легування напівпровідниковий опір його буде невеликий і явно вираженої зворотної вольт-амперної характеристики не буде.

Основні параметри тунельного діоду.

* напруга впадини – це напруга при якій струм тунельного діода досягає мінімального значення, і в залежності від матеріалу лежить в межах:

для германію: U_в=250 – 350 мВ

для кремнію: U_в=400 – 500 мВ

для арсеніду галію: --450-550 мВ

* пікова напруга – коли струм досягає максимального значення:

германієві: U_n = 30 – 60 мВ кремнієві і арсенід галієві: U_n = 100 – 150 мВ

* коефіцієнт відношення пікового струму до струму впадини:

германієві ≈ 3 – 6 кремнієві і арсенід галієві: > 10

За своїм призначенням тунельні діоди ділять на 3 групи: підсилюючі, генераторні, перемикаючі