Полупроводниковый диод устройство. Полупроводниковые выпрямительные диоды: принцип работы, характеристики и применение

Что такое полупроводниковый диод. Как устроен p-n-переход. Какие процессы происходят в зоне проводимости диода. Как изготавливают полупроводниковые диоды. Каковы основные характеристики и параметры диодов. Где применяются выпрямительные диоды.

Что такое полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — это электронный компонент с двумя выводами, который обладает свойством односторонней проводимости электрического тока. Он хорошо пропускает ток в одном направлении (прямом) и плохо в противоположном (обратном). Это свойство диода используется для преобразования переменного тока в постоянный в выпрямителях.

Основой диода является полупроводниковая пластина с двумя областями разной проводимости:

• n-область с электронной проводимостью
• p-область с дырочной проводимостью

Между этими областями образуется p-n-переход — тонкий слой на границе двух полупроводников с разными типами проводимости. Именно p-n-переход обеспечивает основные свойства диода.

Принцип работы p-n-перехода в диоде

Работа диода основана на свойствах p-n-перехода. При подключении внешнего источника напряжения к диоду возможны два режима:

Прямое включение

Когда «+» источника подключен к p-области, а «-» к n-области:

• Понижается потенциальный барьер p-n-перехода
• Основные носители заряда (электроны и дырки) движутся навстречу друг другу
• Через переход протекает значительный прямой ток

Обратное включение

Когда «-» источника подключен к p-области, а «+» к n-области:

• Потенциальный барьер p-n-перехода повышается
• Основные носители заряда удаляются от перехода
• Через переход протекает очень малый обратный ток

Благодаря этим свойствам диод пропускает ток практически только в одном направлении.

Процессы в зоне проводимости диода

В p-n-переходе диода происходят следующие основные процессы:

• Диффузия основных носителей заряда через переход
• Дрейф неосновных носителей под действием электрического поля
• Рекомбинация электронов и дырок
• Генерация электронно-дырочных пар

При прямом включении преобладает диффузия основных носителей, что обеспечивает протекание прямого тока. При обратном включении ток определяется дрейфом неосновных носителей и поэтому очень мал.

Технология изготовления полупроводниковых диодов

Основные этапы изготовления диодов:

1. Выращивание монокристалла полупроводника (обычно кремния или германия) с заданным типом проводимости
2. Нарезка пластин из монокристалла
3. Создание области с противоположным типом проводимости (например, диффузией примесей)
4. Формирование контактов к p- и n-областям
5. Сборка диода в корпус
6. Герметизация корпуса

Существуют различные технологии изготовления диодов: сплавная, диффузионная, эпитаксиально-планарная и др. Выбор технологии зависит от требуемых характеристик диода.

Основные характеристики и параметры диодов

Важнейшими характеристиками полупроводниковых диодов являются:

• Вольт-амперная характеристика (ВАХ)
• Максимально допустимое обратное напряжение
• Максимально допустимый прямой ток
• Прямое падение напряжения при заданном токе
• Обратный ток при заданном напряжении
• Емкость p-n-перехода
• Быстродействие (время восстановления обратного сопротивления)

ВАХ диода имеет ярко выраженный нелинейный характер. При прямом включении ток резко возрастает при напряжении более 0.6-0.7 В для кремниевых диодов. При обратном включении ток очень мал до напряжения пробоя.

Применение выпрямительных диодов

Основные области применения полупроводниковых выпрямительных диодов:

• Выпрямители переменного тока в источниках питания
• Детекторы радиосигналов
• Защита от обратного тока
• Формирование импульсов
• Ограничители напряжения
• Логические схемы

Диоды широко используются в радиоэлектронике, вычислительной технике, системах автоматики и других отраслях. Они являются одним из базовых компонентов современной электроники.

Преимущества полупроводниковых диодов перед электровакуумными

По сравнению с электровакуумными диодами, полупроводниковые имеют ряд существенных достоинств:

• Малые габариты и вес
• Отсутствие затрат энергии на нагрев катода
• Высокая механическая прочность
• Большой срок службы (десятки тысяч часов)
• Высокий КПД
• Возможность работы при высоких частотах

Эти преимущества обусловили практически полное вытеснение электровакуумных диодов полупроводниковыми во многих областях применения.

Основные типы и разновидности выпрямительных диодов

Существует большое разнообразие типов полупроводниковых диодов, различающихся конструкцией, материалами, характеристиками:

• Кремниевые и германиевые диоды
• Точечные и плоскостные диоды
• Диоды Шоттки
• Быстровосстанавливающиеся диоды
• Силовые выпрямительные диоды
• Сверхвысокочастотные диоды

Выбор конкретного типа диода определяется требованиями к его характеристикам в конкретной схеме применения.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. О принципе действия и физике проходящего в этом приборе процессе будет рассказано в данном материале.

Теоретическая часть

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах p-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (p) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n – области значительно больше, чем в p-области, а дырок в p – области больше, чем в n – области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n – области и дырок из p – области. В результате рекомбинации на границе p — и n — областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рис. 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью Евн, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.

Рисунок 1. Полупроводниковый диод

При подключении источника э.д.с. к n-p переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ширина запирающего слоя может:

• Уменьшаться — векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузного тока;
• Увеличиваться
  — векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.

Перечисленные свойства p-n перехода используются в полупроводниковых диодах. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область) – базой.

Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе – анодным (рис. 1, б).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления. Вольт — амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рис. 2.

Рисунок 2. ВАХ полупроводникового диода

Вольт — амперная характеристика имеет прямую («1» на рис. 2) и обратную («2» на рис. 2) ветви. При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника Еист направлен противоположно вектору напряженности p-n перехода диода, положительный полюс источника подключен к аноду диода, а отрицательный полюс к катоду диода. При этом суммарный вектор напряженности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в p-n переходе.

В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер, и проходить через p-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в полупроводник и дырок — из p-области в n-полупроводник.

Напряжение Uпор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым.

При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника Еист совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника соединен катодом диода, а положительный полюс источника соединен с анодом диода. Такое включение диода приводит к увеличению потенциального барьера p-n перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из p-области в n-область и дырками из n-области в p-область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током Iобр.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении Uобр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока – участок «3» на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рис. 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон – дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в p-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего p-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость p-n перехода составляет несколько десятков пФ.

Практическая часть

Лабораторная работа посвящена исследованию полупроводникового выпрямительного диода. Исследуемый диод FR302 закреплен на стеклотекстолитовой плате вместе с токоограничительным резистором МЛТ-2 43 Ом. Резистор предназначен для ограничения тока при снятии прямой ветви характеристики, т. к. при открытом p-n-переходе сопротивление диода мало.

Проводимость диода исследуется с помощью миллиамперметра (микроамперметра) и вольтметра, по показаниям, которых строится вольтамперная характеристика (ВАХ) диода. 

Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема снятия прямой ветви ВАХ диода

Питание установки осуществляется от регулируемого блока питания, который дает постоянный ток напряжением от 0 до 12 В (стабилизированный выход) и постоянный ток напряжением от 0 до 36 В (нестабилизированный выход). 

Для снятия прямой ветви характеристики используется миллиамперметр и милливольтметр, т. к. в открытом состоянии падение напряжения на диоде составляет около 1 В, а ток через него достигает 200 мА.

Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема снятия обратной ветви ВАХ диода

Для снятия обратной ветви ВАХ диода обратное напряжение на диоде доводится до 36 В. При таком напряжении обратный ток диода FR302 остается небольшим (единицы-десятки микроампер), поэтому для его измерения в цепь вместо миллиамперметра включают микроамперметр. Сильно увеличивать обратный ток диода крайне нежелательно, так как это может привести к его выходу из строя. К тому же напряжения выше 42 В опасны, и их использование нежелательно.

Материал предоставил для изучения — Denev.

   Форум

   Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Что такое диод, стабилитрон, варикап, тиристор, светодиод

Полупроводниковые приборы применялись в радиотехнике еще до изобретения электронных ламп. Изобретатель радио А. С. Попов использовал для обнаружения электромагнитных волн вначале когерер (стеклянную трубку с металличеокими опилками), а затем контакт стальной иглы с угольным электродом.

Это был первый полупроводниковый диод — детектор. Позже были созданы детекторы с использованием естественных и искусственных кристаллических полупроводников (галена, цинкита, халькопирита и т. д.).

Такой детектор состоял из кристалла полупроводника, впаянного в чашечку-держатель, и стальной или вольфрамовой пружинки с заостренным концом (рис. 1). Положение острия на кристалле находили опытным путем, добиваясь наибольшей громкости передачи-радиостанции.

 Рис. 1. Полупроводниковый диод — детектор.

В 1922 г. сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев обнаружил замечательное явление: кристаллический детектор, оказывается, может генерировать и усиливать электрические колебания.

Это было настоящей сенсацией, но недостаточность научных познаний, отсутствие нужного экспериментального оборудования не позволили в то время глубоко исследовать суть процессов, происходящих в полупроводнике, и создать полупроводниковые приборы, способные конкурировать с электронной лампой.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковые диоды обозначают символом, сохранившимся в общих чертах со времен первых радиоприемников (рис. 2,6).

Рис. 2. Обозначение и структура полупроводникового диода.

Вершина треугольника в этом символе указывает направление наибольшей проводимости (треугольник символизирует анод диода, а короткая черточка, перпендикулярная линиям-выводам,— его катод).

Этим же символом обозначают полупроводниковые выпрямители, состоящие, например, из нескольких последовательно, параллельно или смешанно соединенных диодов (выпрямительные столбы и т. п.).

Диодные мосты

Для питания радиоаппаратуры часто используют мостовые выпрямители. Начертание тажой схемы соединения диодов (квадрат, стороны которого образованы символами диодов) давно уже стало общепринятым, поэтому для обозначения таких выпрямителей стали иополикшать упрощенный символ — квадрат с  символом одного диода внутри (рис. 3).

Рис. 3. Обозначение диодного моста.

В зависимости от значения выпрямленного напряжения каждое плечо моста может состоять из одного, двух и более диодов. Полярность выпрямленного напряжения на схемах не указивают так как ее однозначно определяет аимвол диода внутри квадрата.

Мосты конструктивно  объединенные в одном корпусе, изображают отдельно показивая принадлежность к одному изделию в позиционном обозначены. Рядом с позиционным обозначением диодов, как и всех других полупроводниковых приборов, как правило, указывают их тип.

На основе символа диода построены условные обозначения полупроводниковых диодов с особыми свойствами. Для получения нужного символа используют специальные знаки, изВбражаемые либо на самом базовом символе, либо в непосредственной близости от него, а чтобы акцентировать внимание на некоторых из них, базовый символ помещают в круг — условное обозначение корпуса полупроводникового прибора.

Туннельные диоды

Знаком, напоминающим прямую скобку, обозначают катод туннельных диодов, (рис. 4,а). Их изготовляют из полупроводниковых материалов с очень большим содержанием примеси, в результате чего полупроводник превращается в полуметалл. Благодаря необычной форме вольт-амперной характеристики (на ней имеется участок отрицательного сопротивления) туннельные диоды используют для усиления и генерирования электрических сигналов и в переключающих устройствах. Важным достоинством этих диодов является то, что они могут работать на очень высоких частотах.

 Рис. 4. Тунельный диод и его обозначение.

Разновидность туннельных диодов — обращенные диоды, у которых при малом напряжении на р-п переходе проводимость в обратном направлении больше, чем в прямом.

Используют такие диоды в обратном включении. В условном обозначении обращенного диода черточку-катод изображают с двумя штрихами, касающимися ее своей’серединой (рис. 4,6).

Стабилитроны

Прочное место в источниках питания, особенно низковольтных, завоевали полупроводниковые стабилитроны, работающие также на обратной ветви вольт-амперной характеристики.

Это плоскостные кремниевые диоды, изготовленные по особой технологии. При включении их в обратном направлении и определенном напряжении -на переходе последний «пробивается», и в дальнейшем, несмотря на увеличение тока через- переход напряжение на нем остался почти неизменным.

Рис. 5. Стабилитрон и его обозначение на схемах.

Благодари этому свойству стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизирующих элементов, а также источников образцовых напряжений в стабилизаторах на транзисторах.

Для получения малых образцовых напряжений стабилитроны включают в прямом направлении, при этом напряжение стабилизации одного стабилитрона равно 0,7… 0,8 В. Такие же результаты получаются при включении в прямом направлении обычных кремниевых диодов.

Для стабилизации низких напряжений разработаны и широко применяются специальные полупроводниковые диоды — стабисторы. Отличие их от стабилитронов в том, что они работают на прямой ветви вольт-амперной характеристики, т. е. при включении в прямом (проводящем) направлении.

Чтобы показать на схеме стабилитрон, черточку-катод базового символа дополняют коротким штрихом, направленным в сторону символа анода (рис. 5,а). Следует отметить, что расположение штриха относительно символа анода должно быть неизменным независимо от положения условного обозначения стабилитрона на схеме.

Это в полной мере относится и к символу двух-анодного (двустороннего) стабилитрона (рис. 5,6), который можно включать в электрическую цепь в любом направлении (по сути, это два встречно включенных одинаковых стабилитрона).

Варикапы

Электронно-дырочный переход, к которому приложено обратное напряжение, обладает свойствами конденсатора. При этом роль диэлектрика играет сам р-п переход, в котором свободных носителей зарядов мало, а роль обкладок — прилежащие слои полупроводника с электрическими зарядами разного -знака — электронами и дырками. Изменяя напряжение, приложенное к р-п переходу, можно изменять его толщину, а следовательно, и емкость между слоями полупроводника.

Рис. 6. Варикапы и их обозначение на принципиальных схемах.

Это явление использ

I.Общая информация

Полупроводниковые

диоды

Полупроводниковый диод – прибор, имеющий два вывода для включения в электрическую цепь и обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо — противоположного направления. Это свойство диода используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).

Слово «диод» образовалось от греческой приставки «ди» — «дважды» и сокращения слова «электрод».

Строение и принцип действия

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластинку с двумя областями разной проводимости: электронной (n— типа) и дырочной (p— типа). Между ними — разделяющая граница, называемаяp—n – переходом (область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности). Рабочий элемент — кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси.

Полупроводники стали настоящей золотой жилой техники, когда из них научились делать слоистые структуры.

Выращивая слой n-полупроводника на пластинкеp-полупроводника, мы получим двухслойный полупроводник сp—n-переходом между ними. Если к каждой половине припаять по соединительному проводу, то получится полупроводниковый диод, который действует на ток как вентиль: в одну сторону хорошо пропускает ток, а в другую сторону почти не пропускает.

П

Рисунок 1

олупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.

Как возникает выпрямляющий запирающий слой? Образование слоя начинается с того, что вp-половине больше дырок, а вn-половине больше электронов. Разность плотности носителей зарядов начинается уравновешиваться через переход: дырки проникают вn-половину, электроны вp-половину. Рассмотрим, как создаетсяp-nпереход при использовании донорной примеси.

Этот переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Эта толщина должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия преобразуется область с проводимостью р-типа. Остальная часть образца германия, в который атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между областями возникаетp-nпереход. В полупроводниковом диоде германий служит катодом (отрицательным электродом), а индий — анодом (положительным электродом). На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоединение диода.

Процессы в зоне проводимости

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примеснаяпроводимость. Вp–n– переходе носители заряда образуются при введении в кристалл акцепторной илидонорнойпримеси. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

С помощью внешнего источника тока можно повысить или понизить внешний потенциальный барьер. Если к диоду приложить прямое напряжение, т.е. положительный полюс соединить сp-половиной, то внешняя электрическая сила начнёт действовать против двойного слоя, и диод пропускает ток, который быстро растёт с увеличением напряжения. Если же изменить полярность проводников, то напряжение падает почти до нулевой отметки. Если диод подключить в цепь переменного напряжения, то он будет служить как выпрямитель, т.е. на выходе будет постоянное пульсирующее напряжение, по направлению в одну сторону (от плюса к минусу). Для того чтобы сгладить амплитуду, или как её ёщё называют «пиковое значение» пульсации тока, эффективно добавить параллельно диоду конденсатор.

Диод хорошо пропускает ток, когда его отрицательный электрод соединен с отрицательным полюсом источника напряжения (батареи), а положительный с положительным полюсом, т.е. когда на диод подается напряжение прямой полярности, или, короче, прямое напряжение. В этом случае электроны в n- области полупроводниковой пластинки будут двигаться к положительному полюсу батареи, т.е. к границе сp- областью; в то же время «дырки» вp- области будут двигаться к отрицательному полюсу батареи и, следовательно, к границе сn- областью.

В результате вблизи p-nперехода произойдет накопление положительных и отрицательных зарядов, и поэтому сопротивление перехода уменьшится. При напряжении противоположной (обратной) полярности, когда положительный полюс батареи соединен сn- областью, а отрицательный сp- областью, электроны вn- области и «дырки» вp- области движутся от границыp-n– перехода. Вследствие этого происходит уменьшение положительных и отрицательных зарядов вблизиp-nперехода, и его сопротивление увеличивается. Это и означает, что при переменном напряжении ток через диод в одном направлении будет большей силы, чем в другом, т.е. в цепи появится практически ток одного направления — произойдет выпрямление переменного тока.

Наряду с выпрямительными свойствами p-nпереход обладает емкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении емкость диода больше, чем при обратном. С увеличением обратного напряжения емкость диода уменьшается.

Изготовление

Один из способов изготовления диода состоит в следующем. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см²и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника сn-проводимостью, например, германия, расплавляют кусочек индия и помещают в печь. При высокой температуре (около 500⁰С) индий вплавляется в пластинку германия, образуя в ней область дырочной проводимости. К самой пластине германия и к затвердевшей «капле» индия припаивают два проволочных вывода электродов и прибор заключают в герметический и непрозрачный корпус, чтобы защититьp-nпереход от воздействия влаги и света. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости. Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника, чем меньше сопротивление диода в прямом направлении, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками.

Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию обычно припаиваются проволочки из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа. Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые р-n– переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов, существующих в переходе.

После сборки транзистора для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. Устройство и схематическое изображение полупроводникового диода:

VD

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n– переходов. Низкоомную область диодов называютэмиттером, а высокоомную –базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используютp-n-,p-i-,n-i– переходы, а также переходы металл-полупроводник. На рисунке 3 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

а) б)

Структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

Рисунок 3.

Общие сведения (по назначению и характеристикам)

Выпрямительные приборы довольно часто требуются в промышленности. Например выпрямители нужны для правильной работы бытовой техники (т.к. почти все электроприборы потребляют постоянное напряжение. Это телевизоры, радиоприёмники, видеомагнитофоны и т.д.). Также полупроводниковые диоды нужны для расшифровки видео, радио, фото и других сигналов в частотно-электрические сигналы, для детектирования слабых радиосигналов, например, в радиоприемниках, для выделения и обработки электрических сигналов в различных автоматических устройствах и ЭВМ. С помощью этого свойства полупроводников мы смотрим телевизор или слушаем радио.

Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Диоды обладают большой надежностью, но граница их применения от –70 до 125 С. Их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящие от прямого и обратного напряжения, и определяющие его выпрямляющие и прочностные свойства.

В радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами в настоящее время для выпрямления электрического тока все больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ.

_______________________________________________________________________________

В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси. Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленного тока более миниатюрны, чем ламповые.

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых диодов имеются существенные достоинства:

1. Малый вес и малые размеры.

2. Отсутствие затраты энергии на накал.

3. Большой срок службы (до десятков тысяч часов).

4. Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).

5. Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

Вместе с тем полупроводниковые диоды в настоящее время обладают следующими недостатками:

1. Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.

2. Свойства приборов сильно зависят от температуры.

3. Работа полупроводниковых диодов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Вольтамперная характеристика и параметры

Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики (ВАХ). В отличие от характеристики идеального р-n– перехода, описываемой соотношением

(пунктирная кривая на рис.4), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис.4) в области прямых напряжений Uрасполагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объемном сопротивлении базы диодаr. Токназываюттепловым током илиоб- ратным током насыщения. Это отличие от идеализированной кривой обусловлено тем, что тепловой токпри обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2-10 мА.

Прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет величину не выше десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при таком же малом напряжении, а сопротивление соответственно снижается до единиц Ом и меньше. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицы и десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен кОм и больше.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную ВАХ, сложно и нецелесообразно.

Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток , который измеряют при определенном значении обратного напряжения.

У германиевых диодов , у кремниевых. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для теплового тока справедлива зависимость

(*)

где тепловой ток при температурепостоянный коэффициент (для германияпри, для кремнияпри). С помощью выражения (*) можно ориентировочно определить обратный ток при разных температурах у германиевых диодов. В кремниевых диодах в диапазоне рабочих температур доля теплового тока в полном обратном токе невелика. Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды пользуются упрощенным выражением

,

где T* — приращение температуры, при котором обратный токудваивается (T*810^oCдля германия иT*67^oCдля кремния). В практике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в два раза, а кремниевых – в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10^оС. При этом фактическое изменение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.

С учетом падения напряжения на базе диода запишем уравнение прямой ветви ВАХ диода:

где r_б– омическое сопротивление базы диода. ВАХ кремниевого и германиевого диодов:

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объеме полупроводника. При достижении обратным напряжением определенного критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Падение напряжения на диоде зависит от токаI, протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым. Так как у кремниевых диодов тепловой токмал, то и начальный участок прямой ветви ВАХ значительно более пологий, чем у германиевых. При увеличении температуры прямая ветвь ВАХ становится более крутой из-за увеличенияи уменьшения сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее тому же значению прямого тока, при этом уменьшается, что оценивается с помощью температурного коэффициента напряжения:

.

показывает, насколько должно измениться напряжение на р-n– переходе при изменении температуры на 1^оС приI=const,=2,2 мВ/град.

Классификация

В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении:

— точечные диоды,

— сплавные,

— микросплавные,

— с диффузной базой,

— с эпитаксиальныеи др.

По функциональному назначениюдиоды делят на:

— выпрямительные

— универсальные

— импульсные

— смесительные

— детекторные

-модуляторные

— переключающие

— умножительные

— стабилитроны (опорные)

— туннельные

— параметрические

— фотодиоды

— светодиоды

— магнитодиоды

— высокочастотные

— диоды Ганна и т.д.

Существует много разновидностей полупроводниковых диодов, обладающих специальными свойствами. Стабилитрон— диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока, так что напряжение на диоде практически не меняется.Варикап— диод, емкостьp-nперехода которого зависит от значения приложенного к нему напряжения. Он может быть использован в качестве конденсатора, емкостью которого управляют, изменяя приложенное напряжение.

Есть еще и необычные полупроводниковые диоды – это светодиоды и фотодиоды. Фотодиоды пропускают ток только при попадании на их корпус света. А светодиоды при прохождении через них тока, начинают светиться. Цвет свечения светодиодов зависит от того, к какой разновидности он принадлежит. Фотодиод— полупроводниковый диод, в корпусе которого имеется окно для освещенияp-nперехода. Под действием света изменяется сопротивление диода и, следовательно, сила тока в его цепи. Кроме того, под действием света в диоде возникает электродвижущая сила, так, что освещенный фотодиод является источником электрической энергии.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из шести элементов. Первый элемент – буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Германий или его соединения обозначают буквой Г, кремний и его соединения – буквой К, соединения галлия – А. В приборах специального назначения буквы заменяются соответствующими цифрами: германий – 1, кремний – 2, соединения галлия – 3. Второй элемент – буква, обозначающая подклассы диода: выпрямительные, импульсные, универсальные – Д, варикапы – В, туннельные и обращенные диоды – И, стабилитроны – С, сверхвысокочастотные – А. Третий элемент – цифра, определяющая назначение диода: от 101 до 399 – выпрямительные; от 401 до 499 – универсальные; от 501 до 599 — импульсные. У стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеяния. Четвертый и пятый элементы – цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номинальное напряжение стабилизации). Шестой элемент – буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (приборы одного типа по значениям параметров подразделяются на группы). У стабилитронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки, например: КД215А, ГД412А, 2Д504А, КВ101А, КС168А и т. д.

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы в зависимости от их мощности, диапазона рабочих частот и напряжения.

По типу мощности различают выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности.

Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Мощные (силовые) диоды. К данному типу относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.

Полупроводниковый диод

— статья энциклопедии

(PD) Изображение: John R. Brews
Диодная структура Mesa (вверху) и планарная диодная структура с защитным кольцом (внизу).

Полупроводниковый диод — это устройство с двумя выводами, которое проводит ток только в одном направлении, состоящее из двух или более слоев, по крайней мере один из которых является полупроводником. Примером может служить диод pn , изготовленный путем соединения полупроводникового слоя типа p с полупроводниковым слоем n .Для обсуждения легирующих примесей и терминологии p- и n-. см. легирующие примеси.

На рисунке показаны две из множества возможных структур, используемых для полупроводниковых диодов pn-, обе адаптированы для увеличения напряжения, которое устройства могут выдерживать при обратном смещении. В верхней структуре используется меза, чтобы избежать резкого искривления области p ⁺ — рядом с прилегающим слоем n-. В нижней структуре используется слабо легированное защитное кольцо p- на краю острого угла слоя p ⁺ — для распределения напряжения на большее расстояние и уменьшения электрического поля.(Верхние индексы вроде n ⁺ или n ^— относятся к более тяжелым или более легким примесным уровням легирования.)

Типы

Полупроводниковые диоды бывают самых разных типов:

• pn -диод: переходной диод pn состоит из полупроводника типа n , соединенного с полупроводником типа p .
Стабилитрон
• : Стабилитрон — это особый тип диода pn , предназначенный для работы в области обратного пробоя и часто используемый в качестве регулятора напряжения.Напряжение пробоя в этих диодах иногда называют напряжением стабилитрона . В зависимости от рассчитанного диапазона напряжений диод может выйти из строя из-за пробоя стабилитрона, туннелирования электронов или лавинного пробоя.
Диод Шоттки
• : Диод Шоттки изготовлен из металла, такого как алюминий или платина, на слаболегированной полупроводниковой подложке.
• Туннельный диод: Как и стабилитрон, туннельный диод (или диод Эсаки) состоит из сильно легированных слоев типа n- и p с очень резким переходом между двумя типами.Проводимость происходит за счет электронного туннелирования.
• Светодиод: Светодиод предназначен для преобразования электрического тока в свет.
• Фотодиод: Фотодиод является инверсией светодиода, действующим как фотодетектор, преобразующим падающий свет в обнаруживаемый электрический ток.
• pin -диод: pin -диод состоит из трех слоев: внутреннего (нелегированного) слоя между слоями p — и n -типа.Благодаря своим характеристикам быстрого переключения он используется в микроволновых и радиочастотных приложениях.
Диод Ганна
• : Диод Ганна представляет собой устройство с переносом электронов , основанное на эффекте Ганна в полупроводниках III-V, и используется для генерации микроволновых колебаний.
• Варактор: переход pn , используемый при обратном смещении в качестве конденсатора переменного напряжения для настройки радиоприемников. Термин varactor также используется для устройств, которые ведут себя как встречные стабилитроны.

Электрические характеристики

(PD) Изображение: John R. Brews
Nonideal pn — вольт-амперные характеристики диода.

Идеальный диод имеет нулевое сопротивление для полярности прямого смещения и бесконечное сопротивление (проводит нулевой ток) для полярности обратного напряжения . Другими словами, полупроводниковый диод действует как электрический выпрямитель .

Полупроводниковый диод не идеален. Как показано на рисунке, диод не проводит заметную проводимость до тех пор, пока не будет достигнуто ненулевое значение напряжения изгиба (также называемое напряжением включения или напряжением включения ).Выше этого напряжения наклон кривой вольт-амперной характеристики не бесконечен (сопротивление в открытом состоянии не равно нулю). В обратном направлении диод проводит ненулевой ток утечки (преувеличенный меньшим масштабом на рисунке), и при достаточно большом обратном напряжении ниже напряжения пробоя ток увеличивается очень быстро с более отрицательными обратными напряжениями.

Как показано на рисунке, на и на сопротивлениях представляют собой обратные наклоны вольт-амперной характеристики в выбранной точке смещения:

, где r _D — сопротивление, а Δi _D — изменение тока, соответствующее изменению напряжения на диоде Δv _D при смещении v _D = V _BIAS .

Эксплуатация

Здесь рассматривается работа простого диода с переходом pn . Цель состоит в том, чтобы объяснить различные режимы смещения на рисунке. Работа описывается с помощью диаграмм изгиба зон, которые показывают, как наименьшая энергия зоны проводимости и наибольшая энергия валентной зоны изменяются в зависимости от положения внутри диода при различных условиях смещения. Дополнительное обсуждение см. В статье Полупроводник.

Нулевое смещение

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Диаграмма изгиба ленты для pn -переходного диода при нулевом приложенном напряжении. Область истощения заштрихована.

На рисунке показана диаграмма изгиба полосы для pn -диода; то есть края зоны для зоны проводимости (верхняя линия) и валентной зоны (нижняя линия) показаны как функция положения по обе стороны от стыка между материалом типа p (левая сторона) и n Материал типа (правая сторона). Когда область типа p и область типа n одного и того же полупроводника объединены и два диодных контакта закорочены, уровень половинной занятости Ферми (пунктирная горизонтальная прямая) находится на постоянном уровне. .Этот уровень обеспечивает правильное заполнение дырок и электронов в бесполевом объеме по обе стороны от перехода. (Так, например, электрону не обязательно покидать сторону n и переходить к стороне p через короткое замыкание, чтобы регулировать заселенность.)

Однако плоский уровень Ферми требует, чтобы полосы на стороне типа p двигались выше, чем соответствующие полосы на стороне типа n , образуя ступеньку или барьер на краях полосы, обозначенную φ _B .Этот шаг изменяет плотность электронов на стороне n-, чтобы стать фактором Больцмана exp (- φ _B / V _th ) меньшим на стороне p-, чтобы соответствовать нижнему электрону. плотность в районе р- . Здесь символ V _th обозначает тепловое напряжение , V _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов. Аналогичные соображения применимы к влиянию барьера на плотность дырок в области n-.Так получилось, что произведение плотности носителей pn :

в любом положении диода в состоянии равновесия. ^[1] Здесь p _B , n _B — плотности основного носителя на стороне p- и n-.

В результате этого шага по краям зоны обедненная область около перехода становится обедненной как дырками, так и электронами, образуя изолирующую область почти без подвижных зарядов.Однако существует фиксированных, неподвижных зарядов, обусловленных легирующими ионами. Практически полное отсутствие подвижного заряда в обедненном слое означает, что имеющихся подвижных зарядов недостаточно, чтобы сбалансировать неподвижный заряд, вносимый ионами легирующей примеси: отрицательный заряд на стороне типа p из-за акцепторной примеси и положительный заряд на сторона n типа за счет донорной примеси. Из-за этого заряда в этой области возникает электрическое поле, определяемое уравнением Пуассона.Ширина области истощения регулируется таким образом, чтобы отрицательный заряд акцептора на стороне p точно уравновешивал положительный заряд донора на стороне n , поэтому электрическое поле вне области истощения с обеих сторон отсутствует.

В этой конфигурации полосы не подается напряжение и ток через диод не течет. Чтобы протолкнуть ток через диод, необходимо применить прямое смещение , как описано ниже.

Прямое смещение

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Диаграмма изгиба полосы pn-диода при прямом смещении. Диффузия перемещает носителей через соединение. (PD) Изображение: Джон Р. Брюс
Квазиуровни Ферми и плотности носителей в прямом смещенном диоде pn-. На рисунке предполагается, что рекомбинация ограничена областями, где концентрация основных носителей заряда близка к объемным значениям, что не является точным, когда центры генерации рекомбинации в области поля играют роль.

При прямом смещении электроны инжектируются в материал p-, а дырки — в материал n-.Электроны в материале типа n называются мажоритарными носителями на этой стороне, но все, которые попадают на сторону типа p , называются неосновными носителями . Те же дескрипторы применимы к дыркам: они являются основными носителями на стороне типа p и неосновными носителями на стороне типа n .

Прямое смещение разделяет два уровня объемной половинной занятости по величине приложенного напряжения, что снижает разделение краев объемных зон типа p , чтобы быть ближе по энергии к таковым у типа n .Как показано на диаграмме, шаг по краям полосы уменьшается под действием приложенного напряжения до ϕ _B −v _D . (Диаграмма изгиба полосы сделана в вольтах, поэтому для преобразования v _D в энергию отсутствует заряд электронов.)

При прямом смещении диффузионный ток течет (то есть ток, управляемый градиентом концентрации) дырок со стороны p на сторону n- и электронов в направлении, противоположном направлению . n — сторона p- сторона.Градиент, управляющий этим переносом, настраивается следующим образом: в объеме, удаленном от границы раздела, неосновные носители имеют очень низкую концентрацию по сравнению с основными носителями, например, электронная плотность на стороне p (где они являются неосновными носителями) является множителем exp (- φ _B / V _th ) ниже, чем на стороне n- (где они являются основными носителями). С другой стороны, около интерфейса приложение напряжения v _D уменьшает шаг на краях полосы и увеличивает плотность неосновных носителей на коэффициент Больцмана exp ( v _D / V _th ) над основной массой. значения.Внутри стыка продукт pn- увеличивается выше равновесного значения до: ^[1]

Градиент, управляющий диффузией, тогда является разницей между большими плотностями избыточных неосновных носителей заряда на барьере и низкими плотностями в объеме, и этот градиент вызывает диффузию неосновных носителей из границы раздела в объем. Количество введенных неосновных носителей уменьшается по мере их продвижения в объем за счет механизмов рекомбинации , которые приводят избыточные концентрации к объемным значениям.

Рекомбинация может происходить при прямом столкновении с основным носителем, аннигилирующем оба носителя, или через центр генерации рекомбинации , дефект, который поочередно захватывает дырки и электроны, способствуя рекомбинации. Неосновные носители имеют ограниченный срок службы , и этот срок службы, в свою очередь, ограничивает то, как далеко они могут диффундировать со стороны основных носителей на сторону неосновных носителей, так называемая длина диффузии . В светодиодах рекомбинация электронов и дырок сопровождается излучением света с длиной волны, связанной с энергетическим зазором между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому диод преобразует часть прямого тока в свет.

Линии половинной занятости для дырок и электронов не могут оставаться плоскими по всему устройству, поскольку они находятся в равновесии, но становятся квазиуровнями Ферми , которые меняются в зависимости от положения. Как показано на рисунке, электронный квазиуровень Ферми смещается с положением, от равновесного уровня Ферми половинного заполнения в объеме n- к равновесному уровню половинного заполнения для дырок глубоко в объеме p-. Дырочный квазиуровень Ферми делает обратное. Два квазиуровня Ферми не совпадают, за исключением глубины в объемных материалах.

На рисунке показано падение плотности основных носителей заряда от уровней плотности основных носителей n _B , p _B в соответствующих объемных материалах до уровня с коэффициентом exp (- ( φ _B — v _D ) / V _th ) меньше на вершине барьера, которое уменьшается от равновесного значения φ _B на величину прямого смещения диода v _D . Поскольку этот барьер расположен в материале с противоположным легированием, инжектированные носители в позиции барьера теперь являются неосновными носителями.По мере того, как происходит рекомбинация, плотности неосновных носителей падают с глубиной до их равновесных значений для объемных неосновных носителей, на коэффициент exp (- φ _B / V _th ) меньше, чем их объемная плотность n _B , p _B в качестве основных носителей перед инъекцией. В этот момент квазиуровни Ферми воссоединяются с положениями объемных уровней Ферми.

Уменьшенный шаг на краях зоны также означает, что при прямом смещении область обеднения сужается, поскольку в нее проталкиваются дырки со стороны p и электроны со стороны n .

В простом диоде pn прямой ток увеличивается экспоненциально с напряжением прямого смещения из-за экспоненциального увеличения плотности несущих, поэтому всегда есть ток даже при очень малых значениях приложенного напряжения. Однако, если кто-то интересуется некоторым конкретным уровнем тока, для достижения этого уровня тока потребуется «излом» напряжения. Например, очень часто в текстах о схемах с кремниевыми диодами выбирают В _Колено = 0.7 В. ^[2] Выше колена, конечно, ток продолжает экспоненциально нарастать. Некоторые специальные диоды, например, некоторые варакторы, специально разработаны для поддержания низкого уровня тока до некоторого напряжения колена в прямом направлении.

Обратное смещение

(PD) Изображение: John R. Brews
Изгиб ленты для pn -диода в обратном смещении (PD) Изображение: Джон Р. Брюс
квази-уровней Ферми в диоде pn- с обратным смещением.

При обратном смещении уровень заполнения дырок снова имеет тенденцию оставаться на уровне объемного полупроводника p -типа, в то время как уровень заполнения электронами соответствует уровню заполнения объемного полупроводника n-.В этом случае края объемной зоны типа p приподняты по сравнению с массой типа n за счет обратного смещения v _R , так что два уровня заполнения снова разделены энергией, определяемой величиной приложенное напряжение. Как показано на диаграмме, такое поведение означает, что шаг по краям зоны увеличивается до , φ _B + v _R , а область обеднения расширяется по мере того, как дырки отводятся от нее на стороне p и электроны на стороне n .

Когда применяется обратное смещение, электрическое поле в обедненной области увеличивается, отталкивая электроны и дырки дальше друг от друга, чем в случае нулевого смещения. Таким образом, любой ток, который течет, происходит из-за очень слабого процесса генерации носителей заряда внутри обедненной области из-за дефектов генерации-рекомбинации в этой области. Этот очень малый ток является источником тока утечки при обратном смещении. В фотодиоде обратный ток вводится путем создания дырок и электронов в обедненной области падающим светом, таким образом преобразуя часть падающего света в электрический ток.

Когда обратное смещение становится очень большим, достигая напряжения пробоя, процесс генерации в области истощения ускоряется, что приводит к лавинообразному состоянию , которое может вызвать разгон и разрушить диод.

Диодный закон

Величина постоянного тока идеального диода pn- определяется уравнением диода Шокли: ^[3]

с v _D постоянным напряжением на диоде и I _R обратным током насыщения , током, который протекает при обратном смещении диода ( v _D большой и отрицательный).Символ V _th обозначает тепловое напряжение , V _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов.

Это уравнение не моделирует поведение, не связанное с сделкой, такое как избыточная обратная утечка или явление пробоя. Во многих практических диодах это уравнение должно быть изменено, чтобы читать:

, где коэффициент идеальности , n вводится для моделирования более медленной скорости увеличения, чем предсказывается законом идеальных диодов.Используя это уравнение, сопротивление диода на — составляет:

показывает меньшее сопротивление, чем выше ток.

Емкость

Слой обеднения между сторонами n — и p перехода pn служит изолирующей областью, которая разделяет два контакта диода. Таким образом, диод в обратном смещении демонстрирует емкость обедненного слоя , иногда более неопределенно называемую емкостью перехода , аналогично конденсатору с параллельными пластинами с диэлектрической прокладкой между контактами.При обратном смещении ширина обедненного слоя увеличивается с увеличением обратного смещения v _R , и соответственно уменьшается емкость. Таким образом, переход служит конденсатором с регулируемым напряжением. В упрощенной одномерной модели емкость перехода равна:

с A площадь устройства, κ относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε ₀ электрическая постоянная и w ширина обеднения (толщина области, в которой плотность мобильных носителей пренебрежимо мала. ).

При прямом смещении, помимо указанной выше емкости обедненного слоя, происходит инжекция и диффузия заряда неосновных носителей. Имеется диффузионная емкость , выражающая изменение заряда неосновных носителей, которое происходит при изменении прямого смещения. С точки зрения накопленного заряда неосновных носителей ток диода i _D равен:

, где Q _D — это заряд, связанный с диффузией неосновных носителей, а τ _T — время прохождения , время, необходимое для прохождения неосновного заряда через область инжекции.Типичные значения времени прохождения составляют 0,1–100 нс. ^[4] На основании этого рассчитывается диффузионная емкость:

Вообще говоря, для обычных уровней тока при прямом смещении эта емкость намного превышает емкость обедненного слоя.

Переходная характеристика

(PD) Изображение: Джон Р. Брюс
Схема слабого сигнала для диода pn-, управляемая токовым сигналом, представленным в виде источника Norton.

Диод является в высшей степени нелинейным устройством, но для изменений слабого сигнала его отклик можно проанализировать с помощью схемы слабого сигнала на основе смещения постоянного тока, относительно которого, как предполагается, изменяется сигнал.Эквивалентная схема показана справа для диода, управляемого источником Norton. Используя текущий закон Кирхгофа в выходном узле:

с C _D диффузионная емкость диода, C _J емкость диодного перехода (емкость обедненного слоя) и r _D сопротивление диода, все при выбранном смещении точка или Q-точка. Выходное напряжение, обеспечиваемое этой схемой, тогда:

с ( R _S || r _D ) параллельной комбинацией R _S и r _D .Этот усилитель сопротивления демонстрирует граничную частоту , обозначенную f _C :

и для частот f >> f _C усиление падает с частотой, поскольку конденсаторы замыкают резистор r _D . Предполагая, как и в случае включения диода, что C _D >> C _J и R _S >> r _D , найденные выше выражения для сопротивление и емкость диода обеспечивают:

, который связывает угловую частоту со временем прохождения диода τ _T .

Для диодов, работающих с обратным смещением, C _D равно нулю, а термин угловая частота часто заменяется частотой среза . В любом случае, при обратном смещении сопротивление диода становится довольно большим, хотя и не бесконечным, как предполагает закон идеального диода, и предположение, что оно меньше, чем сопротивление Нортона драйвера, может быть неточным. Емкость перехода мала и зависит от обратного смещения v _R .Тогда частота среза равна:

и изменяется в зависимости от обратного смещения, поскольку ширина w (v _R ) изолирующей области, лишенной подвижных несущих, увеличивается с увеличением обратного смещения диода, уменьшая емкость. ^[5]

Банкноты

1. ↑ ^{1,0 1,1} Джон Спаркс (1994). Полупроводниковые приборы , 2-е изд. CRC Press, стр. 78. ISBN 0748773827.
2. ↑ Естественно, это напряжение зависит от выбранного уровня тока.Это напряжение для диода с переходом pn принимается по-разному: 0,7 В и 0,5 В; см. AS Sedra and KF Smith (1998). «Глава 3: Диоды»,

Коды нумерации транзисторов и диодов »Примечания к электронике

Pro-Electron, JEDEC и JIS — это отраслевые схемы для нумерации полупроводниковых устройств: диодов, биполярных транзисторов и полевых транзисторов — они позволяют приобретать устройства от разных производителей.

---

Transistor Tutorial:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену

---

Существует много тысяч различных типов диодов, биполярных транзисторов и полевых транзисторов.Эти полупроводниковые устройства имеют разные характеристики в зависимости от того, как они спроектированы и изготовлены.

В результате важно, чтобы разные полупроводниковые устройства имели разные номера деталей, чтобы отличать их друг от друга.

Изначально производители должны были присваивать устройствам свои собственные номера, но вскоре для полупроводниковых устройств, включая диоды, биполярные транзисторы и полевые транзисторы — как JFET, так и MOSFET, стали использоваться стандартные схемы нумерации деталей.

Наличие стандартных отраслевых схем нумерации для полупроводниковых устройств имеет много преимуществ не только для крупных производителей электронного оборудования, но и для любителей и студентов.

Транзистор BC547 — BC в номере детали указывает, что это кремниевый транзистор малой мощности звуковой частоты

Схемы нумерации / кодирования полупроводниковых устройств

Существует множество различных способов организации схемы нумерации. В первые дни производства термоэмиссионных клапанов (вакуумных трубок) каждый производитель давал номер производимому типу. Таким образом, у устройств было огромное количество разных номеров, многие из которых были практически идентичны. Вскоре стало очевидно, что требуется более структурированный подход, чтобы одно и то же устройство можно было купить независимо от производителя.

То же самое верно и для полупроводниковых устройств, и схемы нумерации, не зависящие от производителя, используются для диодов, биполярных транзисторов и полевых транзисторов. На самом деле используется несколько схем нумерации полупроводников:

1. Проэлектронная схема нумерации Эта схема нумерации диодов, биполярных транзисторов и полевых транзисторов была создана в Европе и широко используется для транзисторов, разрабатываемых и производимых здесь.
2. Схема нумерации JEDEC Эта схема нумерации диодов и транзисторов была создана в США и широко используется для диодов и транзисторов, которые происходят из Северной Америки.
3. Схема нумерации JIS Эта система нумерации полупроводниковых устройств была разработана в Японии и используется на диодах, транзисторах и полевых транзисторах, которые производятся в Японии.
4. Схемы, принадлежащие производителю: Существуют некоторые устройства, в частности специализированные биполярные транзисторы и некоторые полевые транзисторы, на которые отдельные производители могут пожелать сохранить все права на производство. Возможно, они не захотят раскрывать спецификации и методы производства другим, если они используют разработанную ими технологию.В этих и подобных случаях производители будут использовать свои собственные схемы нумерации деталей, которые не соответствуют схемам отраслевого стандарта
.

Целью отраслевых стандартных схем нумерации является обеспечение возможности идентификации и описания электронных компонентов и в данном случае полупроводниковых устройств, включая диоды, биполярные транзисторы и полевые транзисторы, чтобы иметь общие электронные компоненты и нумерацию компонентов у нескольких производителей. Для этого производители регистрируют определение новых электронных компонентов в соответствующем агентстве, а затем получают новый номер детали.

Этот подход позволяет компаниям, производящим электронное оборудование, иметь дополнительные источники для своих компонентов и, таким образом, обеспечивать поставки для крупномасштабного производства, а также уменьшать эффект морального износа.

В разной степени эти схемы нумерации позволяют широко описать функции диода, транзистора или полевого транзистора. Схема Pro-Electron предоставляет гораздо больше информации, чем другие.

Система кодирования нумерации Pro-Electron или EECA

Схема нумерации Pro-Electron для обеспечения стандартизированной схемы нумерации полупроводников, в частности диодов, транзисторов и транзисторов с полевыми эффектами, была создана в 1966 году на встрече в Брюсселе, Бельгия.

Схема нумерации полупроводниковых диодов, биполярных транзисторов и полевых транзисторов была основана на формате системы, разработанной Маллардом и Филипсом для нумерации термоэмиссионных клапанов или электронных ламп, которая существовала с начала 1930-х годов. В нем первая буква обозначает напряжение и ток нагревателя, вторая и последующие буквы обозначают отдельные функции внутри стеклянной оболочки, а остальные цифры обозначают основание клапана и серийный номер для типа.

Схема Pro-Electron взяла это и использовала буквы, которые редко использовались в описаниях нагревателей, для обозначения типа полупроводника, а затем использовала вторую букву для определения функции.Сходство существовало между обозначениями клапана / трубки и обозначениями, используемыми для полупроводниковых устройств. Например, «А» использовалось для диода и т. Д.

Схема получила широкое распространение, и в 1983 году управление ею перешло к Европейской ассоциации производителей электронных компонентов (EECA).

Первое письмо

• A = Германий
• B = кремний

• C = арсенид галлия
• R = Составные материалы

Вторая буква

• A = Диод — маломощный или сигнальный
• B = Диод — переменная емкость
• C = Транзистор — звуковая частота, малой мощности
• D = Транзистор — звуковая частота, мощность
• E = туннельный диод
• F = Транзистор — высокочастотный, маломощный
• G = Разные устройства
• H = Диод — чувствительный к магнетизму
• L = Транзистор — высокочастотный, мощность
• N = оптрон

• P = Детектор света
• Q = излучатель света
• R = коммутационное устройство малой мощности, e.г. тиристор, диак, однопереходный
• S = Транзистор — импульсный маломощный
• T = коммутационное устройство малой мощности, например тиристор, симистор
• U = Транзистор — импульсный, силовой
• W = Устройство для поверхностных акустических волн
• X = диодный умножитель
• Y = диод выпрямительный
• Z = Диод — опорное напряжение

Последующие символы

Символы, следующие за первыми двумя буквами, образуют серийный номер устройства.Те, которые предназначены для домашнего использования, имеют три цифры, но те, которые предназначены для коммерческого или промышленного использования, имеют букву, за которой следуют две цифры, например, A10 — Z99.

Суффикс

В некоторых случаях может быть добавлена ​​буква суффикса:

• A = низкое усиление
• B = среднее усиление

• C = высокое усиление
• Без суффикса = усиление без классификации

Это полезно как для производителей, так и для пользователей, поскольку при изготовлении транзисторов наблюдается большой разброс уровней усиления.Затем их можно отсортировать по группам и пометить в соответствии с их выигрышем.

Используя схему нумерации, можно увидеть, что транзистор с номером детали BC107 является кремниевым маломощным аудиотранзистором, а BBY10 — кремниевым диодом переменной емкости для промышленного или коммерческого использования. BC109C, например, кремниевый аудиотранзистор малой мощности с высоким коэффициентом усиления

Система нумерации или кодирования JEDEC

JEDEC, Объединенный совет по проектированию электронных устройств, является независимой отраслевой организацией по торговле полупроводниками и органом по стандартизации.Он обеспечивает множество функций, одной из которых является стандартизация полупроводников, и в данном случае нумерация деталей диода, биполярного транзистора и полевого транзистора.

Самые ранние истоки JEDEC можно проследить до 1924 года, когда была создана Ассоциация производителей радиооборудования — много лет спустя она стала Ассоциацией электронной промышленности, EIA. В 1944 году Ассоциация производителей радиооборудования и Национальная ассоциация производителей электроники учредили объединенный совет по разработке электронных ламп, JETEC.Это было создано с целью присвоения и согласования типов электронных ламп (термоэмиссионных клапанов).

С ростом использования полупроводниковых устройств сфера применения JETEC была расширена, и в 1958 году он был переименован в JEDEC, Объединенный совет по разработке электронных устройств.

Первоначальная нумерация полупроводниковых приборов соответствовала широким очертаниям схемы нумерации трубки или клапана, которая была разработана: «1» означало «без накала / нагревателя», а «N» — «кристаллический выпрямитель».

Первая цифра нумерации полупроводникового устройства была изменена с обозначения отсутствия нити накала на количество PN-переходов в полупроводниковом приборе, а система нумерации была описана в EIA / JEDEC EIA-370.

• Первое число =
  • 1 = диод
  • 2 = биполярный транзистор или полевой транзистор с одним затвором
  • 3 = полевой транзистор с двумя затворами
  Число соответствует количеству переходов, хотя для полевых МОП-транзисторов это нужно интерпретировать немного.
• Вторая буква = N
• Последующие цифры = Серийный номер

Таким образом, устройство с кодом 1N4148 является диодом, а 2N706 — биполярным транзистором.

Иногда к номеру детали добавляют дополнительные буквы, которые часто относятся к производителю. M означает, что производитель Motorola, а TI означает Texas Instruments, хотя добавление A к номеру детали часто означает пересмотр спецификации, например Транзисторы 2N2222A широко доступны, и это обновленная версия 2N2222.Иногда для интерпретации этих чисел требуются некоторые базовые знания.

Схема нумерации полупроводниковых приборов JIS

Японские промышленные стандарты, схема нумерации деталей JIS для полупроводниковых устройств стандартизирована в соответствии с JIS-C-7012.

В этой схеме используется типовой номер, состоящий из числа, за которым следуют два символа, а затем — серийный номер.

Первый номер

Первое число указывает количество переходов в полупроводниковом приборе.

• 1 = диод
• 2 = биполярный транзистор или полевой транзистор с одним затвором
• 3 = полевой транзистор с двумя затворами

Буквы в позициях 2 и 3

• SA = высокочастотный биполярный транзистор PNP
• SB = биполярный транзистор звуковой частоты PNP
• SC = высокочастотный биполярный транзистор NPN
• SD = биполярный транзистор звуковой частоты NPN
• SE = диоды
• SF = тиристор (SCR)
• SG = устройства Ганна
• SH = UJT (однопереходный транзистор)
• SJ = P-канальный JFET / MOSFET

• SK = N-канальный JFET / MOSFET
• SM = симистор
• SQ = светодиод
• SR = выпрямитель
• SS = сигнальный диод
• ST = лавинный диод
• SV = варакторный диод / варикопорный диод
• С.З. = диод Зенер / опорное напряжение диод

Серийный номер

Серийный номер следует за первой цифрой и двумя буквами типа полупроводникового прибора.Числа от 10 до 9999.

Суффикс

После серийного номера может использоваться суффикс, чтобы указать, что устройство было одобрено, т.е. есть гарантия, что оно было изготовлено в надлежащих условиях для производства требуемого полупроводникового устройства.

Номера производителей

Несмотря на то, что существуют отраслевые организации для генерации номеров устройств, некоторые производители хотели производить устройства, которые были бы уникальными для них.В некоторых областях это могло бы предоставить устройству уникальное преимущество, которое другие производители не могли бы скопировать.

Эти номера полупроводниковых устройств уникальны для производителя, поэтому их можно использовать для идентификации источника.

Ниже приведены некоторые общие примеры:

• MJ = Motorola power, металлический корпус
• MJE = Motorola power, пластиковый корпус
• MPS = Motorola малой мощности, пластиковый корпус
• MRF = RF-транзистор Motorola

• TIP = силовой транзистор Texas Instruments (пластиковый корпус)
• TIPL = планарный силовой транзистор TI
• TIS = TI малосигнальный транзистор (пластиковый корпус)
• ZT = Ферранти
• ZTX = Ферранти

Система нумерации или кодирования транзисторов и диодов Pro-electronic предоставляет больше информации об устройстве, чем система JEDEC.Однако обе эти схемы нумерации диодов и транзисторов широко используются и позволяют производить одни и те же типы устройств рядом производителей. Это позволяет производителям оборудования покупать свои полупроводники у различных производителей и знать, что они покупают устройства с одинаковыми характеристиками.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Банк вопросов для JEE Main & Advanced Physics Semiconducting Devices Semiconductor Diode

Переключить навигацию 0

0

• Железные дороги
• UPSC
• Банковское дело
• SSC
• CLAT
• JEE Main и Advanced
• NEET
• NTSE
• KVPY
• Обучение
• Оборона
• 12-й класс
• 11-й класс
• 10-й класс
• 9-й класс
• 8-й класс
• 7-й класс
• 6-й класс
• 5-й класс
• 4 класс
• 3-й класс
• 2-й класс
• 1-й класс
• Другой экзамен
• Дошкольное образование
• Государственный экзамен депутата
• Государственные экзамены UP
• Государственные экзамены Раджастана
• Государственные экзамены Джаркханда
• Государственные экзамены Чхаттисгарх
• Государственные экзамены Бихара
• Экзамены штата Харьяна
• Государственные экзамены Гуджарата
• Государственные экзамены MH
• Государственные экзамены штата Химачал
• Государственные экзамены Дели
• Государственные экзамены Уттаракханда
• Государственные экзамены Пенджаба
• Государственные экзамены J&K
• Видео
• Учебные пакеты
• Серия испытаний
• Решения Ncert
• Образцы статей
• Банк вопросов
• Ноты
• Решенные статьи
• Текущие дела

Авторизоваться Подписаться Демо-видео андроид Приложение для Android shopping_cart Покупка курсов android приложение для Android video_library Демо-видео —- человек Моя учетная запись 0 Товаров — 0

Поиск…..

Идти!

• Все
• Видео
• Учебные пакеты
• Решения NCERT
• Вопросов
• Образцы статей
• Ноты

• Железные дороги
• UPSC
• Банковское дело
• SSC
• CLAT
• JEE Main и Advanced
• NEET
• NTSE
• KVPY
• Обучение
• Оборона
• 12-й
• 11-й
• 10-й
• 9-й
• 8-й
• 7-й
• 6-й
• 5-й
• 4-й
• 3-й
• 2-й
• 1-й
• Дошкольное образование
• Государственный экзамен депутата
• Государственные экзамены UP
• Государственные экзамены Раджастана
• Государственные экзамены Джаркханда
• Государственные экзамены Чхаттисгарх
• Государственные экзамены Бихара
• Экзамены штата Харьяна
• Государственные экзамены Гуджарата
• Государственные экзамены MH
• Государственные экзамены штата Химачал
• Государственные экзамены Дели
• Государственные экзамены Уттаракханда
• Государственные экзамены Пенджаба
• Государственные экзамены J&K

.