Полупроводниковые диоды, стабилитроны

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом.

По своему назначению диоды подразделяются на две группы: выпрямительные и специальные (рис. 1.21). Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока в постоянный. Конструктивно они делятся на плоскостные и точечные. В свою очередь, в зависимости от частоты и формы переменного напряжения, диоды делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные и импульсные. К диодам специального типа относятся диоды, использующие различные свойства р-n-перехода - явление пробоя (стабилитроны), наличие участков с отрицательным сопротивлением (туннельные, обращенные), явление излучения или поглощения видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра (фото- и светодиоды). В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые.

Электрод диода, подключенный к р-области, называют анодом, а электрод, подключенный к n-области, - катодом (рис. 1.22, а, б). Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рис. 1.22,в.

Рис. 1.21. Классификация диодов

Выпрямительные диоды характеризуются набором статических и динамических параметров, указываемых в справочной литературе. В частности, к статическим параметрам относятся:

1. Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока .

2. Обратный ток при некотором значении обратного напряжения .

3. Среднее значение прямого тока .

4. Импульсный прямой ток - наибольшее мгновенное значение прямого тока.

5. Импульсное обратное напряжение

Рис. 1.22. Условное обозначение (а), структура

(б) и вольт-амперная характеристика

полупроводникового диода

- наибольшее мгновенное значение обратного напряжения.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики:

1. Время восстановления обратного напряжения - параметр, характе ризующий инерционные свойства диода. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение (рис. 1.23,б). Напряжение на входе схемы в момент времени скачком приобретает положительное значение . Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени . Совместно с нарастанием тока в диоде на нем снижается напряжение, которое через промежуток времени, равный , становится равным . В момент времени в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода . Такое положение сохраняется до момента времени , когда полярность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе р-n-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. По существу происходит рассасывание заряда на границе р-n-перехода (происходит разряд емкости диода). После интервала времени рассасывания начинается процесс выключения диода, т.е. процесс восстановления его запирающих свойств. К моменту времени напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств продолжается до момента времени , после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным обратному току , а напряжение достигает значения . Таким образом, время восстановления можно отсчитывать от перехода через нуль до достижения током диода значения и оценивать по выражению

, (1.30)

где - время жизни неосновных носителей.

2. Время нарастания прямого тока (см. рис. 1.23).

3. Максимально допустимая (предельная) частота - наибольшая частота подводимого напряжения и импульсов тока, при которых обеспечивается безотказная работа диода.

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты используются диоды с барьером Шотки. В этих диодах вместо р-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с р-n-переходом по следующим параметрам:

- более низкое прямое падение напряжения;

- более низкое обратное напряжение;

- более высокий ток утечки;

- почти полное отсутствие заряда обратного восстановления.

Малое прямое напряжение и малое время восстановления обратного напряжения делают эти диоды незаменимыми при проектировании низковольтных высокочастотных выпрямителей.

Стабилитроны - полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении р-n-перехода возникает электрический лавинный пробой р-n-перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая на стабилитроне, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может

работать неограниченно долго. На рис. 1.24 показано условное обозначение и вольт - амперные характеристики стабилитронов.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 1.24,б штриховой линией показано перемещение вольт-амперных ха-

Рис. 1.24. Условное обозначение (а) и вольт-амперные характеристики стабилитронов (б)

рактеристик при увеличении температуры. Повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при напряжении стабилизации большем , и уменьшает его при .Такой характер температурной зависимости (температурного коэффициента напряжения стабилизации) стабилитронов обусловлен различным видом пробоя в них.

Основными параметрами стабилитронов являются:

1. Напряжение стабилизации .

2. Температурный коэффициент напряжения стабилизации .

3. Допустимый ток через стабилитрон .

4. Дифференциальное сопротивление стабилитрона, характеризующее наклон вольт-амперной характеристики в области пробоя.

Кроме того, для импульсных стабилитронов нормируется время включения стабилитрона , а для двухсторонних стабилитронов нормируется несимметричность напряжений стабилизации .

Контрольные вопросы и упражнения

1. Объясните разницу между акцепторными и донорными примесями полупроводников. Как они могут быть получены?

2. Что представляют собой полупроводник p-типа и полупроводник n-типа.

3. Назовите основные особенности электронно-дырочного перехода.

4. Какие полупроводниковые компоненты электронных схем вы знаете? Назовите их структурные особенности. Подумайте, где и с какой целью их можно применить.

5. Нарисуйте и объясните вольт-амперные характеристики диода и стабилитрона.

6. Объясните физические процессы, происходящие в диоде при подаче на его электроды прямоугольного импульса напряжения.

7. Нарисуйте графики выходных напряжений для нижеприведенных схем.