Відмінності між версіями «Напівпровідниковий діод»

Версія за 13:21, 22 травня 2017

Головна → Напівпровідниковий діод

Роботу виконали:

• Стрельцова Анастасія
• Фертюк Анна

Загальний опис (принцип дії)

Напівпровідниковим діодом називається електроперетворюваль­ний прилад з одним р-n-переходом і двома зовнішніми виводами від областей кристала з провідностями різного виду. Саме р-n-перехід визначає властивості, технічні характеристики та параметри будь-яко­го напівпровідникового діода. Корпус діода, в якому міститься кристал напівпровідника з р-n-переходом, а також інші конструктивні еле­менти для закріплення кристала в корпусі забезпечують експлуатацій­ні характеристики діода: стійкість при дії нагрівання, вологи, ударних та вібраційних навантажень тощо. ^[1]

Історична довідка

Принцип роботи напівпровідникового діода відкрив у 1874 році Карл Фердинанд Браун. Перший радіоприймач з використанням кристалічного діода сконструював Ґрінліф Віттіер Пікард. Свій винахід він запатентував у 1906 році.^[2]

Технічні характеристики

Основою напівпровідникового діода є p-n перехід. В напівпровіднику "n" типу є вільні електрони, частинки зі знаком мінус, а в напівпровіднику типу "p" наявні іони з позитивним зарядом, їх прийнято називати «дірки». Дірка є носієм позитивного заряду, рівного елементарному заряду, в напівпровідниках. Це поняття вводиться в зонної теорії для опису електронних явищ у неповністю заповненої електронами валентної зоні. Напівпровідниковий діод має два виводи, які мають назву: анод і катод. В основі принципу дії напівпровідникового діода - властивості електронно діркового переходу, зокрема, сильна асиметрія вольт- амперної характеристики щодо нуля. Таким чином розрізняють пряме і зворотне включення. В прямому включенні (якщо подати на анод плюс, а на катод мінус) діод має малий електроопір і добре проводить електричний струм. У зворотному (на анод подати мінус, а на катод – плюс) – електрони з області N прямують до джерела з позитивним полюсом. У цей же час позитивні заряди(дірки) в області P притягуються негативним полюсом джерела живлення. Тому в області PN переходу, утворюється порожнеча, так як немає носіїв заряду, струм проводити нічим. З точки зору зонної теорії рівноважний стан на p-n переході досягається при такій висоті потенціального бар'єра, при якій рівні Фермі обох областей розміщуються на однаковій висоті. Є й недолік напівпровідникових діодів, при зворотному підключенні струм все таки протікає (величина цього струму має порядок мікро або наноампер і нею можна знехтувати). Також кожен діод має граничну допустиму напругу-напругу пробою, перевищувати яку небажано, тому що може зруйнуватися кристалічна структура напівпровідника і прилад прийде у непридатність. Для нормальної роботи діода у прямому включенні необхідно подавати постійну напругу не перевищуючу: для германієвих діодів порядку 0,3В, для кремнієвих діодів 0,7В ^[3]

Класифікація напівпровідникових діодів

• По вихідному напівпровідниковому матеріалу діоди поділяють на чотири групи: германієві, кремнієві, з арсеніду галію і фосфіду індію. Германієві діоди використовуються широко в транзисторних приймачах, так як мають вищий коефіцієнт передачі, ніж кремнієві. Це пов’язано з їх більшою провідністю при невеликій напрузі (близько 0,1 … 0,2 В) сигналу високої частоти на вході детектора і порівняно малому опорі навантаження (5 … 30 кОм).

• За конструктивно-технологічною ознакою розрізняють діоди точкові і площинні.

• За призначенням напівпровідникові діоди поділяють на такі основні групи: випрямні, універсальні, імпульсні, варикапи, стабілітрони (опорні діоди), Стабистор, тунельні діоди, звернені діоди, лавинно-пролітні (ЛПД), тиристори, фотодіоди, світлодіоди та оптрони. ^[4]

• • Випрямляючими діодами - називають діоди, призначені для перетворення змінного струму в постійний, в яких до швидкодії, ємності p-n переходу і стабільності параметрів не пред’являють спеціальних вимог. Для випрямляючих діодів характерно, що вони мають малі опори в провідному стані і дозволяють пропускати великі струми. Бар’єрна ємність цих діодів із-за великої площі p-n переходів велика і досягає значень десятків пікофарад. Германієві випрямляючі діоди можуть працювати при температурах до +70…+80 оС, кремнієві – до +120…+150 оС, а арсенід-галієві – до +150о С.

До основних параметрів випрямляючих діодів відносяться:

1. Максимально допустима обернена напруга діода Uоб.макс – значення напруги, прикладеної у зворотньому напрямку, котру діод може витримати на протязі тривалого часу без порушення його працездатності (десятки-тисячі В).

2. Середній випрямлений струм діода Івп.ср – середнє за період значення випрямленого постійного струму, протікаючого через діод (сотні мА - десятки А).

3. Імпульсний прямий струм діода Іпр.імп – пікове значення імпульса струму при заданих максимальній тривалості, щілинності та формі імпульса.

4. Середній обернений струм діода Іоб.ср – середнє за період значення оберненого струму, протікаючого через діод (долі мкА – декілька мА).

5. Середня пряма напруга діода при заданому середньому значенні прямого струму Uпр.ср (долі В).

6. Середня розсіювана потужність діода Рср.д – середня за період потужність, розсіювана діодом при протіканні струму в прямому й зворотньому напрямках (сотні мВт – десятки і більше Вт).

7. Диференціальний опір діода rдиф – відношення приросту напруги на діоді до відповідного приросту струму (одиниці - сотні Ом).

• • Імпульсні діоди – це діоди, які мають малу тривалість перехідних процесів і призначені для роботи в імпульсних колах. Від випрямляючих вони відрізняються малими ємностями р-n переходів (долі пікофарад) і рядом параметрів, які визначають перехідні характеристики. Зменшення ємностей досягається за рахунок зменшення площі р-n переходів, тому допустимі потужності розсіювання імпульсних діодів невеликі (30-40 мВт).

До основних параметрів імпульсних діодів відносяться:

1. Загальна ємність діода Сд (долі пФ – декілька пФ ).

2. Максимальна імпульсна пряма напруга Uпр.імп.макс .

3. Максимально допустимий імпульсний струм Іпр.імп.макс .

4. Час встановлення прямої напруги діода tвст – інтервал часу від моменту подачі імпульса прямого струму на діод до досягнення заданого значення прямої напруги на ньому, який залежить від швидкості руху всередині бази інжектованих через р-n перехід неосновних носіїв заряду, в результаті чого спостерігається зменшення її опору (долі нс – долі мкс).

5. Час відновлення оберненого опору діода tвідн – інтервал часу, що минув від моменту проходження струму через нуль (після зміни полярності прикладеної напруги) до моменту, коли обернений струм зменшиться до заданого малого значення (порядку 0,1І0, де І0 – струм при заданій прямій напрузі). Значення tвідн лежить в межах долі нс – долі мкс.

• • У швидкодіючих імпульсних колах широко використовують діоди Шоткі, в яких перехід виконаний на основі контакту метал – напівпровідник. У цих діодах не витрачається час на нагромадження та розсмоктування зарядів у базі, тому їх швидкодія залежить лише від швидкості перезарядки бар’єрної ємності.

• • Напівпровідниковими стабілітронами називають діоди, призначенні для стабілізації напруг.

Робота стабілітронів базується на використанні явища електричного пробою р-n переходу при включенні діода у зворотньому напрямку. Механізм пробою може бути тунельним, лавинним або змішаним. У низьковольтних стабілітронів (з малим опором бази) більш імовірний тунельний пробій, а у високовольтних (з великим опором бази) – лавинний пробій.

До основних параметрів стабілітронів відносяться:

1. Напруга стабілізації Uст – спад напруги на стабілітроні при протіканні заданого струму стабілізації (декілька В – десятки В).

2. Максимальний струм стабілізації Iст.макс (декілька мА – декілька А).

3. Мінімальний струм стабілізації Іст.мін (долі – десятки мА).

4. Диференціальний опір rдиф=ΔUст/ΔIст, який визначається при заданому значенні струму на ділянці пробою (долі – тисячі Ом).

5. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації αст=ΔUст/ΔТ (тисячні долі процента).

При збільшенні струму стабілізації диференціальний опір зменшується на 10-20%. При номінальному струмі стабілізації цей опір близький до значення власного опору бази.

Для зменшення температурного коефіцієнта напруги стабілізації послідовно із стабілітроном вмикають діод. При необхідності забезпечити стабілізацію двополярних напруг стабілітрони вмикають послідовно-зустрічно або використовують спеціальні двоанодні стабілітрони.

• • Варикапом називають напівпровідниковий діод, призначений для використання в якості керованої електричною напругою ємності. Варикап працює при оберненій напрузі, прикладеній до р-n переходу. Його ємність може змінюватися в широких межах.

До основних параметрів вірикапів відносяться:

1. Загальна ємність Св – ємність, виміряна між виводами варикапа при заданій оберненій напрузі (десятки – сотні пФ).

2. Коефіцієнт перекриття по ємності – відношення ємностей варикапа при двох заданих значеннях обернених напруг: К=Св.макс ∕ Cв.мін (декілька одиниць – декілька десятків).

3. Опір втрат rвтр – сумарний активний опір, який включає опори кристалу, контактних з’єднань та виводів варикапа.

4. Добротність Qв – відношення реактивного опору варикапа на заданій частоті змінного сигналу (хс) до опору втрат (rвтр) при заданому значенні ємності або оберненої напруги: Qв= хс ∕ rвтр (десятки – сотні).

5. Температурний коефіцієнт ємності – від 2·10- 4 до 6·10- 4 1∕ К.

• • Діоди Ганна – це напівпровідникові прилади, принцип дії яких базується на використанні однойменного фізичного ефекту – генерації високочастотних коливань електричного струму у напівпровіднику. Ефект Ганна є наслідком того, що у деяких напівпровідникових матеріалах вольт-амперна характеристика має ділянку з від’ємним диференціальним опором. При створенні в такому матеріалі електричного поля з певною напруженістю в ньому виникають коливання електричного струму. Частота цих коливань визначається параметрами самого діода Ганна, а не зовнішньої резонансної системи, як це має місце, наприклад, у генераторах на основі тунельних діодів.

• • Стабістори – це діоди, призначені так само як і стабілітрони для стабілізації напруг. Однак, на відміну від останніх, у них використовується спеціальна форма прямої вітки вольт-амперної характеристики. Тому стабістори працюють при прямій напрузі і дозволяють стабілізувати малі напруги (0,35÷1,9В). За основними параметрами вони близькі до стабілітронів, але вмикаються у коло стабілізації в прямому напрямку.

• • Тунельні діоди – це напівпровідникові прилади, на вольт-амперній характеристиці яких наявна ділянка з від’ємним диференціальним опором. Виникнення такої ділянки обумовлене тунельним ефектом. Залежно від функціонального призначення тунельні діоди умовно поділяють на підсилювальні, генераторні та перемикальні.

Специфічними параметрами тунельних діодів є наступні:

1. Піковий струм Іп (долі-сотні мА);

2. Струм впадини Івп ;

3. Відношення струмів Іп ∕ Івп (одиниці-десятки);

4. Пікова напруга Uп (десятки-сотні мВ);

5. Напруга впадини Uвп (сотні мВ);

6. Питома ємність Сд ∕ Іп ;

7. Гранична резистивна частота fR – розрахункова частота, на якій активна складова повного опору тунельного діода перетворюється в нуль;

8. Резонансна частота f0 – розрахункова частота, на якій реактивна складова повного опору тунельного діода перетворюється в нуль. ^[5]

Діоди характеризуються такими основними електричними параметрами:

– Струмом, що проходить через діод в прямому напрямі;

– Струмом, що проходить через діод у зворотному напрямку;

– Найбільшим допустимим прямим струмом;

– Прямою напругою;

– Зворотною напругою;

– Найбільш допустимою зворотною напругою;

– Габаритами і діапазоном робочих температур.^[4]

Сфера застосування

-діоди з бар'єром Шотткі для роботи в низьковольтних вторинних джерелах живлення на частотах до 200 кГц;

-випрямний діод для роботи в приймальній і підсилювальній апаратурі;

-випрямний діод з бар'єром Шотткі для випрямлення на частотах 10-200 кГц;

-для стабілізації напруги на прямий гілки вольт-амперної характеристики (стабистори) і для цілей термокомпенсації;

-імпульсні стабілітрони для стабілізації та обмеження постійної та імпульсної напруги.^[6]

Фото, відео-матеріали

Список використаних джерел

1. ↑ Означення навіпровідникового діоду
2. ↑ Історія винайдення
3. ↑ Левченко М.О. Перший крок у науку. - Суми. - 2016. - С.251-252
4. ↑ ^{4,0 4,1} Класифікація напівпровідникових діодів
5. ↑ Класифікація навіпровідникових діодів за призначенням
6. ↑ Довідник по напівпровідниковим діодам