Напівпровідниковий діод

Головна → Відділ астрономії, оптики та квантової фізики → 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.

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.

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

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.

Випрямляючий діод

Імпульсний діод

Діод Шоткі

Напівпровідниковий стабілітрон

Варикап

Діоди Ганна

Стабістор

Тунельний діод

• • 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.

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.

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.

Фото, відео-матеріали