Полупроводниковые элементы

Тема №2 «Полупроводниковые элементы»

Урок №1. «Полупроводниковые диоды. Классификация. Основные характеристики.»

1.1. Классификация

Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один р-n переход и имеющее два вывода.

Классификация диодов производится по следующим признакам:

По конструкции:

1. плоскостные диоды;
2. точечные диоды;
3. микросплавные диоды.

По мощности:

1. маломощные;
2. средней мощности;
3. мощные.

По частоте:

1. низкочастотные;
2. высокочастотные;
3. свч.

По функциональному назначению:

1. выпрямительные диоды;
2. импульсные диоды;
3. стабилитроны;
4. варикапы;
5. светодиоды;
6. тоннельные диоды

Условное обозначение  диодов подразделяется на два вида:

• маркировка диодов;
• условное графическое обозначение (УГО) - обозначение на принципиальных электрических схемах.

По старому ГОСТу  все диоды обозначались буквой Д  и цифрой, которая указывала на электрические параметры, находящиеся в справочнике. Новый ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений:

К С -156 А

Г Д -507 Б

I II   III  IV

I — показывает материал  полупроводника:

1.2. Конструкция полупроводниковых диодов

Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область р-типа проводимости и р-n переход большой плоскости (отсюда название). Вывод от р-области называется анодом, а вывод от n-области - катодом (смотрите рисунок 28).

Большая плоскость р-n перехода плоскостных диодов позволяет  им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными.

Точечные диоды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К базе точечного диода  подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1 А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя р-область (смотрите рисунок 30).

 

 

 

 

 

 

Получается р-n переход  очень малой площади. За счёт этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер).

Микросплавные диоды.

Их получают путём  сплавления микрокристаллов полупроводников р- и n- типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам -точечные.

1.3. Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Участок I:— рабочий участок (прямая ветвь ВАХ)

Участки II, III, IV, - обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок)

 УчастокII: Если приложить к диоду обратное напряжение - диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный ток (ток дрейфа, тепловой ток), обусловленный движением не основных носителей.

Участок III: Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток). Электрический пробой является обратимым, после снятия напряжения P-N-переход восстанавливается. Участок IV: Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода, и он сгорает. Тепловой пробой - необратим.

Вслед за электрическим  пробоем, очень быстро следует тепловой, поэтому диоды при электрическом пробое не работают.

 

1.4. Основные параметры полупроводниковых приборов

1. Максимально  допустимый средний за период  прямой ток (1пр ср.) - это такой ток, который диод способен пропустить в прямом направлении. Величина допустимого среднего за период прямого тока равна 70% от тока теплового пробоя. По прямому току диоды делятся на три группы:

Урок №2. «Выпрямительные диоды. Стабилитроны, Стабисторы.»

2.1. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц — 100 кГц. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение U_пр.ср. — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_обр.ср. — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max. - наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать, но превышение которого резко сокращает долговечность диода или приводит к его немедленному повреждению..

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп.ср.mах} — средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Превышение максимально  допустимых величин U_обр.max., I_{вп.ср.mах} ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Максимальная частота f_max — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

Высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды применяют для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов.

Постоянное прямое напряжение U_пр — падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока I_пр, заданного ГОСТом или ТУ.

Постоянный обратный ток I_об — ток через диод при постоянном обратном напряжении на нем; измеряется, как правило, при максимальном обратном напряжении U_обр.max. Чем меньше I_об, тем качественнее диод.

Емкость диода С_Д — емкость между выводами при заданном напряжении. При увеличении обратного напряжения (по модулю) емкость С_д уменьшается.

При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода.

2.2. Стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации уровня напряжения и т. д. Для стабилитронов рабочим является участок пробоя ВАХ в области обратных напряжений (рис. 1.5) На этом участке напряжение остаётся практически постоянным при изменении тока диода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стабилитрон  характеризуется  следующими  параметрами:

напряжение стабилизации Uст — напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);

минимальный ток стабилизации I_ст.min — наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

максимально допустимый ток стабилизации I_ст.max — наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.

Дифференциальное сопротивление r_ст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации. К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток I_max, максимально допустимый импульсный ток I_{пр. и max}, максимально допустимую рассеиваемую мощность Р_max.

2.3. Стабисторы

Стаби́стор — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации, которое составляет примерно 0,7 В. Последовательное соединение двух или трех стабисторов дает возможность получить удвоенное или утроенное значение напряжения стабилизации. Некоторые типы стабисторов представляют собой единый набор с последовательным соединением отдельных элементов.

Стабисторам присущ отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. напряжение на стабисторе при неизменном токе уменьшается с увеличением температуры. В связи с этим стабисторы используют для температурной коменсации стабилитронов с положительным коэффициентом напряжения стабилизации.

Основная часть стабисторов  — кремниевые диоды. Кроме кремниевых стабисторов промышленность выпускает и селеновые поликристаллические стабисторы, которые отличаются простотой изготовления, а значит, меньшей стоимостью. Однако, селеновые стабисторы имеют меньший гарантированный срок службы (1000 ч) и узкий диапазон рабочих температур.