рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды - раздел Приборостроение, Элементная база электроники Полупроводниковым ДиодомНазывается Прибор, Который Имеет Два...

Полупроводниковым диодомназывается прибор, который имеет два вывода (приставка "ди-" означает два) и содержит один p-n-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участка с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологиям изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь р-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми. Материалом для таких диодов служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой ( с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебречь им нельзя.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода и полярность напряжения на электродах приведено на рис. 3а, а его структура на рис. 1.3б. Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом (А), а электрод, подключенный к области n, - катодом (К). Статистическая вольт-амперная характеристика соответствует вольт-амперной характеристике p-n-перехода(рис. 1.2) и показана на рис. 1.3в.

 

Рис. 1.3 Условное графическое обозначение полупроводникового диода- а, его структура- б, вольт- амперная характеристика -в

 

Основными параметрами выпрямительных диодов является прямое напряжение Uпр, которое нормируется при определенном прямом токе Iпр; максимально допустимой прямой ток диода Iпр. макс; максимально допустимое обратное напряжение диода Uпр.макс; обратный ток диода Iобр, который нормируется при определенном обратном напряжении. Сопоставление параметров различных выпрямительных диодов дано в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1. Значения параметров выпрямительных диодов.

Тип диода Максимальный допустимый прямой ток Iпр.макс, А Максимальное допустимое обратное напряжение Uобр.макс, В Обратный ток Iобр, мкА Межэлектродная емкость, пФ
Низкочастотный маломощный Низкочастотный мощный Высокочастотный 0,1 - 1,0   1 - 2000   0,01 - 0,5 200 - 1000   200 - 4000   10 - 100 1 - 200   400 - 5000   0,1 - 50   ­­_   _   0,3 - 15

Для получения более высокого обратного напряжения полупроводниковые диоды можно включить последовательно. Для последовательного включения подходящими являются диоды с идентичными характеристиками. В настоящее время выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.макс таких столбов лежит в пределах 2÷40 кВ.

Более сложные соединения диодов имеются в силовых диодных сборках. В них для увеличения прямого тока диоды соединяются параллельно, для увеличения обратного напряжения - последовательно и часто осуществляются соединения, облегчающие применение диодов в конкретных выпрямительных устройствах. Так выпрямительные мосты на кремниевых диодах специально предназначены для использования в однофазных и трехфазных мостовых выпрямителях.

К специальным полупроводниковым диодамотносят приборы, в которых используются особые свойства p-n-переходов: управляемая полупроводниковая емкость - варикапы; лавинный (электрический) пробой - стабилитроны; фотоэффект - фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов - светодиоды; многослойные диоды - динисторы. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие, как тиристоры и двухбазовые диоды.

Варикапы -это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость p-n-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и с увеличением его уменьшается. Схематическое изображение варикапа приведено на рис.1.4а, а его вольт-амперная характеристика - на рис.1.4б. Основным параметром варикапа является; его начальная емкость С, коэффициент перекрытия по емкости К.

 

Рис. 1.4. Схематичное изображение варикапа –а и зависимость емкости варикапа от обратного напряжения - б

 

Коэффициент перекрытия по емкости определяется как отношение максимальной емкости Сварикапа к его минимальной емкости С

.

Варикапы находят применение в различных электронных схемах: модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой, параметрических усилителях и генераторах и др.

Стабилитроны -это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного (электрического) пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n-перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго.

На рис. 1.5а показано схематическое изображение стабилитрона, а на рис. 1.5б приведены их вольт-амперныые характеристики.

Из вольт-амперных характеристик рис. 1.5 видно, что при изменении тока через стабилитрон ∆Iст напряжение на стабилитроне U практически постоянно.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис 1.5б штриховой линией показано перемещение вольт-амперных характеристик при увеличении температуры. Очевидно, что повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при U> 5В и уменьшает его при U< 5В. Иначе говоря стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U< 5В – отрицательный. При U=6… 5В ТКН близок к нулю.

Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжение на диоде. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют стабисторами. В области прямого смещения р-n- перехода напряжение на нем имеет значение 0,7…2 В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление.

 

    Рис. 1.5. Схематическое изображение стабилитронов- а их вольт –амперные характеристики- б, идеальная характеристика- в  

Основными параметрами стабилитронов являются:

· напряжение стабилизации U;

· температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКНст.;

· допустимый ток через стабилитрон Icт.доп ;

· дифференциальное сопротивление стабилитронаRст =∆ Ucт/I

Дифференциальное сопротивление стабилитронаэто параметр, который характеризует наклон вольт-амперной характреистики в области пробоя. На рис. 1.5в, приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью которой можно определить его дифференциальное сопротивление в основе выпрямляющего диода может использоваться не только переход между полупроводниками р- и n-типа, но и между полупроводником и металлом. Такие диоды называются диодами Шоттки.

Основной отличительной особенностью характеристик диода Шоттки является значительное меньшее прямое падение напряжения по сравнению с диодами на основе р-n-перехода. Это объясняется тем, что в диоде Шоттки одно из веществ перехода-металл, и следовательно, его электрическое сопротивление (и соответствующее падение напряжения на нем) значительно меньше, чем у полупроводника.

Другая особенность диода Шоттки- отсутствие проникновения неосновных носителей заряда из металла в полупроводник (в рассматриваемом случае – дырок, которые для n- области являются неосновными). Это значительно повышает быстродействие диодов Шоттки по сравнению с обычными диодами, так как отпадает необходимость в рассасывании таких носителей при смене полярности внешнего напряжения.

    Рис. 1.6 Условное обозначение диода Шоттки

Диоды Шоттки, у которых выпрямляющий переход представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия, нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного напыления, обладают емкостью, не превышающей 0,01 пФ. Это обеспечивает чрезвычайно малое время их переключения (доли наносекунды) и предельно высокую частоту работы (десятки гигагерц). Мощные диоды позволяют пропускать токи в десятки ампер при обратных напряжениях до 500 В. Благодаря меньшему прямому напряжению они обеспечивают более высокий КПД. Условное обозначение металлополупровдникового диода Шоттки приведено на рис. 1.6 .

Фотодиод представляет собой диод с отрытым p-n-переходом. Световой поток Ф фотодиода, падающий на открытый p-n-переход приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате чего увеличивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется световым потоком.

 

   
Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика фотодиода (а),его схематическое изображение (б)

Вольт-амперные характеристики фотодиода приведены на рис. 1.7а, а его схематичное изображение – на рис. 1.7б.

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2) холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде определяется Ф. Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. При Ф=0 существует теневой ток Is. Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6-7 порядков.

В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого хода Uxx отмеченное на рис.1.7 а, лежит на горизонтальной оси. Таким образом, при I=0 область р заряжается положительно, а область h – отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется разность потенциалов, называемая фото-ЭДС (Еф). Еф равна напряжении Uxx и не может превышать контактной – разности потенциалов Uk Для кремниевых фотодиодов напряжения Uxx<0,7B.

Для режима холостого хода характерна логарифмическая зависимость выходного напряжения от освещенности, причем выходное напряжение не превышает некоторого определенного значения при любой освещенности.

Фотодиоды находят применение как приемники энергии оптического излучения. Так солнечные батареи изготавливаются на основе фотодиодов с Светоизлучающие диоды (светодиоды) преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла, т.е. без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной. большой площадью р-n-перехода.

   
Рис. 1.8 Условное схематическое изображение светодиода (а) и спектральные характеристики излучения (б)

 

В светодиоде преобладает рекомбинация с излучение света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять полупроводниковый материал, из которого изготовлен светодиод. На рис.1.8 а, показано схематическое изображение светодиода, а на рис. 1.8 б приведены спектральные характеристики излучения.

Для изготовления светодиодов наиболее часто используются фосфид галлия или арсенид галлия. Для диодов видимого излучения часто используют фосфид-арсенида галлия.

Светодиоды изготавливают как в виде отделенных индикаторов, так и в виде семисегментых или точечных матриц. Семисегментные матрицы состоят из семи светящихся полосок- сегментов, из которых можно синтезировать изображение любой цифры от 0 до 9 (такие матрицы используются, например, в электронных часах с цифровой индикацией). В точечных матрицах изображение формируется из светящихся точек. На основе точечных матриц можно синтезировать уже не только изображение цифры, но и любого индицируемого знака (буква, специального символа и т.д.).

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре, которая получила названиеоптрон. При этом они помещаются в один корпус (рис. 1.9) таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода.

Оптроны широко используются в электронной аппаратуре для гальванической развязки входных и выходных цепей. Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Использование оптронов в электронно-вычислительных устройствах является одним из основных методов повышения помехоустойчивости аппаратуры.

Рис. 1.9. Оптрон: 1- светодиод; 2-фотодиод

Основной носитель помех в радиоэлектронной аппаратуре – корпус. Корпус используется как один их полюсов электропитания, поэтому подключение к нему разных силовых устройств приводит к наведению кратковременных импульсных помех при коммутациях сильноточных цепей. В то же время для передачи информации чисто электрическим путем между устройствами- источником и приемником информации – должна быть электрическая связь по корпусу. Если к этому же корпусу подключены силовые цепи, то помехи, вызванные коммутациями в этих цепях, приводят к сбоям в работе других устройств, подключенных к корпусу.

Передача информации с помощью оптронов позволяет развязать электрические цепи питания источника и приемника информации, так как носителем информации является электрически нейтральное оптическое излучение. Таким образом, устройства могут иметь разные корпуса, т.е. оказываются гальванически развязанными и не подверженными воздействию помех.

Кроме защиты от воздействия помех, гальваническая развязка на основе оптронов позволяет решить еще одну задачу – совместную работу устройств, находящихся под разными потенциалами. Любая, даже небольшая, разность потенциалов не позволяет чисто электрически соединять разные устройства, поскольку это приведет к выходу их из строя. Передача сигнала в оптроне возможна, даже если цепи светодиода и фотодиода находятся под разными (в некоторых оптронах до 500 В) напряжениями. Таким образом, устройства, информационно связанные с помощью оптрона, могут находится под разными электрическими потенциалом.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Элементная база электроники

Московский государственый университет приборостроения и информатики..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Полупроводниковые диоды

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

В.В. Филинов, А. В. Филинова
    Электроника и основы измерений   Учебное пособие

УТВЕРЖДЕНО
Ученым советом МГУПИ в качестве учебного пособия предоставлено кафедрой электротехника и электроника ИС-7 МГУПИ, Зав.кафедрой д.т.н., проф. Шат

Полупроводниковые материалы
  Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками. По электропроводности полупроводники занимают про

P-n-переход и его свойства
  В p-n-переходе концентрация основных носителей заряда в p- и n-областях могут быть равными или существенно различаться. В первом случае p-n-переход называется симметричным, во второ

Биполярные транзисторы
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой р-n-перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть разл

Полевые транзисторы
Полевым транзисторомназывают полупроводниковый электропреобразовательный прибор, ток которого управляется электрическим полем и который предназначен для усиления электрической мощн

Тиристоры.
Тиристоры– это полупроводниковые приборы с тремя или более p-n-переходами, которые имеют два устойчивых состояния и применяются как мощные электродные ключи. Тиристоры име

Интегральные схемы.
Микроэлектроника –это направление электроники, позволяющее с помощью комплекса технологических, конструктивных и схемотехнических средств создавать малогабаритные, высоконадежные и

Система обозначений полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
Современные отечественные полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы обозначают кодом, состоящим из букв русского алфавита и цифр. Первый элемент обозначения полупроводник

Параметры и характеристики усилителей
Основным параметром усилительного устройства является его коэффициент усиления. В соответствии с разделением усилителей на усилители напряжения, тока и мощности различают:

Принцип работы усилителя
Усилительные устройства предназначены для усиления переменных сигналов и, в частности, синусоидальных сигналов, подаваемых на вход усилителя. Наличие одного только усилительного элемента (

Усилители напряжения с общим эмиттером
(Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой)

Эмиттерный повторитель
Малое Rвх и высокое Rвых сопротивления является недостатком УОЭ, не позволяющим к его входу подключать высокоомных источник входного сигнала и низкоомное нагрузочное устройств

Усилительный каскад на полевом транзисторе
Большое распространение получили усилительные каскады на полевых транзисторах, так как они обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каск

Истоковый повторитель
Усилительный каскад, аналогичный эмиттерному повторителю может быть построен на полевом транзисторе, называется каскад истоковым повторителем. Схема его приведена на рис.2.11.

Усилители мощности
Рассмотренные ранее усилительные каскады обеспечивают получение на выходе сигналов, мощность которых значительно выше мощности входных сигналов, однако, основным показателем работы этих каскадов яв

Многокаскадные усилители
  Рассмотренные выше однокаскадные усилители имеют, как правило, коэффициент усиления порядка нескольких десятков или сотен единиц. Однако, в реальных устройствах промышленной электро

Усилитель постоянного тока
  Для многих практических задач необходимо усиливать медленно изменяющиеся во времени электрические сигналы, являющиеся сигналами низкой частоты (в автоматике, системах управления и с

Обратные связи в усилителях
Конструирование различных электронных устройств на основе ОУ производится с использованием обратных связей. Обратной связью (ОС) называется передача части энергии выходного сигнала

Операционный усилитель
Операционный усилитель с отрицательной обратной связью наиболее часто применяется на практике (см. рис.2.21). Отрицательный характер ОС обусловлен подачей U1 на инвертирующий вход ОУ, та

Избирательный усилитель
  Рассмотренные выше схемы усилителей предназначены для усиления входных сигналов в широкой полосе частот.

Генераторы электрических сигналов
Генераторы гармонических сигналов предназначены для преобразования энергии источника питания в энергию электрического сигнала синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. На

Источники питания электронных устройств
  Для работы различных электрических устройств необходимы источники электрической энергии (источники питания) постоянного напряжения. Преобразование переменного напря

Однополупериодный выпрямитель
Схема и временные диаграммынапряжений и токов однополупериодного выпрямителя приведены на рис.2.31. схема содержит Тр, в цепь вторичной обмотки которого включены последовательно, диод Д и сопротивл

Сглаживающие фильтры
Выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер и его нельзя непосредственно использовать для питания электронных устройств. Поэтому для уменьшения коэффициента пульсаций на входе выпрямителя п

Внешняя характеристика выпрямителя
  Внешней характеристикой выпрямителя называют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем UН = ƒ(IН). Наличие такой зав

Стабилизаторы напряжения
Уменьшение напряжения нагрузки UН при изменении потребляемого тока IН (рис.2.35) или из-за изменения температуры является нежелательным явлением, т.к. снижают надежность работ

Амплитудой импульса А;
длительностью импульса tи обычно определяемой на уровне 0,1 А; длительностью фронта импульса tф – временем нарастания импульса от 0,

Электронные ключи и простейшие формирователи импульсов
  В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, операционный

Импулсьный режим работы операционных усилителей
  Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Передаточная характеристика ОУ имеет вид рис.3.15, соответствующий передаточной характерист

Логические элементы. Серии цифровых интегральных схем
  К цифровым интегральным микросхемам относятся устройства, с помощью которых преобразуются и обрабатываются сигналы, выраженные в двоичном или другом цифровом

Триггеры
  Одно из наиболее распространённых импульсных устройств, относящимся к базовым элементам цифровой техники, — триггер (от англ. trigger — спусковой крючок). Триггером

Счетчики импульсов
  Подсчёт числа импульсов является наиболее распространённоё операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точно

Регистры, дешифраторы, мультиплексоры
Регистромназывают устройство, предназначенное для записи и хранения дискретного «слова» – двоичного числа или другой кодовой комбинации. Регистр – один из основных элемент

Преобразователи (ЦАП и АЦП)
  Поскольку информация на входах цифровых устройств обычно представляется в двоичном коде, а большинство исполнительных механизмов для автоматизированного управления технологическими

Основные сведения о микропроцессорах
  История развития современных средств вычислительной техники насчитывает около 50 лет, однако, за этот период уже сменилось четыре поколения ЭВМ, существенно отличающихся друг от дру

Характеристики измерительных приборов
Основными являются диапазон измерений, чувствительность, порог чувствительности, потребляемая мощность, погрешности. Диапазон измерений– область значений измеряемой величи

Системы электроизмерительных приборов
В приборах магнитоэлектрической системевращающий момент создается в результате взаимодействия постоянного магнита с проводником с током. Подвижной частью может быть рамка с током и

Условные обозначения на шкале приборов
При практическом применении приборов необходимо определить их пригодность к предстоящему измерению той или иной величины. Данные о приборе в виде условных обозначений указываются на их шкалах и при

Метод построения амперметров и вольтметров непосредственной оценки
  Магнитоэлектрический, электромагнитный, электродинамический измерительные механизмы можно применять для измерения тока (амперметр) и напряжения (вольтметр). При изменении т

Электронные приборы непосредственной оценки
Большое распространение, наряду с вышенаписанным, получили электронные приборы для измерения тока и напряжения. Рассмотрим основные принципы построения электронных вольтметров.  

Измерение мощности в цепях постоянного тока и активной мощности в цепях переменного тока
Измерение мощности в цепях постоянного токавозможно косвенным методом при помощи амперметра и вольтметра, так как

Методы построения приборов сравнения (компенсации)
  В большой группе измерительных приборов реализуется метод сравнения измеряемой вели­чины с ее мерой (мерой называется образец, представляю­щий собой техническое средство, служащее д

Измерение параметров электрических цепей
Основными параметрами элек­трических цепей являются: для цепи постоянного тока со­противление R, для цепи переменного тока активное сопро­тивление

Измерения электрических величин цифровыми приборами
Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, т. е. показания которых представлены в цифро­

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги