Э Лек. 4 Диоды 15.02.2010 54

Полупроводниковые диоды. Слайд 1. Всего 54
Раздел 3
Электроника
Лекция 4
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ДИОДЫ
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 2. Всего 54
Основное обозначение
А
К
Формула для идеального диода
u
i = is  (e
T
1 )
is - ток насыщения (тепловой ток)
На реальную прямую ветвь влияют:
1. сопротивления слоёв полупроводника (особенно базы);
2. сопротивления контактов металл-полупроводник.
Из-за этого напряжение на реальном диоде при
заданном токе несколько больше (обычно на доли
вольта), чем следует из формулы.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 3. Всего 54
Реальная обратная ветвь. Основные причины того, что реально
обратный ток обычно на несколько порядков больше тока is:
1. термогенерация носителей непосредственно в области p-n перехода;
2. поверхностные утечки.
Для ориентировочных расчётов:
ток is удваивается примерно на каждые 5С;
ток термогенерации примерно на каждые 10С.
При температуре около 100С ток is сравнивается с током
термогенерации.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 4. Всего 54
Поверхностные токи утечки часто составляют
подавляющую долю обратного тока. Причины:
1. поверхностные энергетические уровни,
обеспечивающие активные процессы генерации и
рекомбинации;
2. молекулярные и ионные плёнки, шунтирующие p-n
переход.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 5. Всего 54
LВ
RП
RO
СБАР
СДИФ
СВ
RП
RO
ROБР
RO
RП
СДИФ
ROБР
СДИФ
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 6. Всего 54
Рабочий режим диода
i
u
VD
RH
uД
uH
 u + uН + u Д = 0
 u + RН  i Д + u Д = 0
u Н u− u Д
i Д= i H = i=
=
RH
RH
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 7. Всего 54
Линия нагрузки
При uД = 0 ток
u Н u− u Д u− 0 u
i Д= i H = i=
=
=
=
RH
RH
RH
RH
При uД = u ток
u Н u− u Д u− u
i Д= i H = i=
=
=
=0
RH
RH
RH
Получились две точки с координатами
u
RH
Точка А
u Д= 0
i=
Точка Б
u Д= u
i= 0
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 8. Всего 54
i
A
u
RH
Р
i
Б
0
uД
uH
u
u
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 9. Всего 54
Математические модели диодов
Математическая модель – это совокупность эквивалентной
схемы и математических выражений, описывающих элементы
эквивалентной схемы. Пример модели (используется в
программе MicroCap-2). Модель универсальная. Хорошо
моделирует диод как в статическом режиме, так и в
динамическом. Учитывает влияние температуры.
R
А
К
А
iУ
К
C
Сопротивление R введено в схему с целью учёта тока утечки.
Ёмкость С моделирует барьерную и диффузионную ёмкости диода.
Управляемый источник iУ моделирует статическую ВАХ диода.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 10. Всего 54
При ориентировочных расчётах часто пользуются
кусочно-линейной аппроксимацией ВАХ диода.
du
r ДИФ . ПР .= ∣i = i
di 1
i
du
r ДИФ . ОБР . = ∣i = i
di 2
Автор Останин Б.П.
0
i0 u0
i2
u
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 11. Всего 54
Эквивалентные схемы для прямой и обратной
аппроксимированных ветвей диода.
rДИФ. ПР.
А
u0
К
rДИФ. ОБР.
А
Автор Останин Б.П.
i0
К
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 12. Всего 54
Рассчитаем ток и напряжение в простейшей
схеме постоянного тока
I
U
VD
RH
UД
UR
Эквивалентная схема
I
U
Автор Останин Б.П.
rДИФ. ПР.
UД
u0
RH
UR
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 13. Всего 54
I
rДИФ. ПР.
U
u0
RH
UR
UД
U= UR U Д
U = R r ДИФ . ПР . I u 0
I=
U − u0
R r ДИФ . ПР .
U − u0
U Д = U − U R= U −
⋅R
R r ДИФ . ПР .
U R= R⋅ I = R⋅
Автор Останин Б.П.
U − u0
R r ДИФ . ПР .
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 14. Всего 54
При приближённом анализе можно пренебречь величинами
rДИФ. ПР и u0 (получится «закоротка»), а также пренебречь
обратным током i0 и сопротивлением rДИФ. ОБР (заменить
разрывом).
ВАХ идеального
диода
ВАХ реального
диода
i
u
0
Схема идеального диода в прямом направлении
rДИФ. ПР = 0
А
К
и
u0 = 0
А
К
Схема идеального диода в обратном направлении
А
Автор Останин Б.П.
rДИФ. ОБР = 
а
i0 = 0,
К
А
К
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 15. Всего 54
Работа диода в импульсном режиме (при резком
переключении)
R
SA
u1
u2
VD
uД
Считаем, что напряжения u1 и u2 значительно больше
прямого падения напряжения на диоде. Тогда
u1
i 1=
R
Сразу после переключения ключа SA в течение времени
рассасывания tРАС протекает ток
u2
i 2= −
R
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 16. Всего 54
За время tРАС в базе рассасывается заряд,
накопленных
при
протекании
тока
i1
неравновесных носителей. Заряд уменьшается в
результате рекомбинации и перехода неосновных
носителей в эмиттер.
По истечении tРАС концентрация неосновных
носителей в базе на границе p-n перехода становится
равновесной. В глубине же базы неравновесный
заряд ещё существует. Длительность tРАС прямо
пропорциональна
среднему
времени
жизни
неосновных носителей в базе и зависит от
соотношения токов i1 и i2. Чем больше по модулю
ток i2, тем меньше, при заданном токе i1, время
рассасывания.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 17. Всего 54
u
u1
t1
0
t
u2
i
i1
i3
t1
t2
t3
0
t
iОБР УСТ
i2
tРАС
tСП
tВОС
uД
u1
0
t1
t2
t3
t
u2
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 18. Всего 54
Разновидности полупроводниковых диодов
Выпрямительные
диоды.
Выпрямление
переменного тока один из основных процессов в
радиоэлектронике.
А
ТР
uВХ
Автор Останин Б.П.
К
VD
RH
uВЫХ
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 19. Всего 54
ТР
uВХ
VD
RH
uВЫХ
uВХ
0
t
uВЫ
Х
U0
0
t
ud
0
t
id
0
Автор Останин Б.П.
t
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 20. Всего 54
Двухполупериодный выпрямитель
VD1
VD2
RH u
ВЫХ
uВХ
VD3
uВЫХ = uH,
Автор Останин Б.П.
VD4
id = i H
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 21. Всего 54
Стабилитрон. Это полупроводниковый прибор,
сконструированный для работы в режиме
электрического пробоя.
В стабилитронах может иметь место и
туннельный и лавинный и смешанный пробой в
зависимости
от
сопротивления
базы.
В
стабилитронах с низкоомной базой имеет место
туннельный пробой (низковольтных до 5,7 В), а в
стабилитронах
с
высокоомной
базой
(высоковольтных) – лавинный пробой.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 22. Всего 54
Пример. ВАХ кремниевого стабилитрона Д814Д.
i, мA
-16 -12 -8
-4
0
u, В
-10
-20
100С
-30
-55С
-40
25С
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 23. Всего 54
Основные параметры стабилитрона:
UСТ
- напряжение стабилизации при заданном токе в
режиме пробоя;
IСТ. МИН - минимально допустимый ток стабилизации;
IСТ. МАКС - максимально допустимый ток стабилизации;
rСТ
- дифференциальное сопротивление
стабилитрона на участке пробоя;
α U СТ - температурный коэффициент напряжения
стабилизации (ТКН).
α U СТ - это отношение относительного изменения
напряжения стабилизации к абсолютному изменению
температуры при постоянном токе стабилизации.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 24. Всего 54
Пусть при температуре t1 напряжение стабилизации
было равно UСТ1. Тогда при температуре t2
U СТ 2= U СТ 1 U СТ 1⋅ αU СТ⋅ t 1 − t 2
У стабилитронов с туннельным пробоем ТКН отрицателен.
У стабилитронов с лавинным пробоем ТКН положителен.
Иногда стабилитрон с лавинным пробоем
включают последовательно с диодом, работающем в
прямом направлении. У диода ТКН отрицательный и
он компенсирует положительный ТКН стабилитрона.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 25. Всего 54
Пример. Для стабилитрона Д814Д при 25С:
IСТ. МИН = 3 мА;
IСТ. МАКС = 24 мА;
rСТ - не более 18 Ом;
α U СТ - не более 0,00095 на 1С.
Пример применения. Параметрический стабилизатор
I
UВХ
R
UR
VD
UВЫХ
В режиме пробоя отсутствует инжекция неосновных
носителей, и поэтому нет накопления избыточных зарядов.
Вследствие этого стабилитрон является быстродействующим
прибором и хорошо работает в импульсных схемах.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 26. Всего 54
Стабистор. Это полупроводниковый диод,
напряжение на котором при прямом включении
(около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на
соответствующем участке почти вертикальная).
Стабистор предназначен для стабилизации малых
напряжений.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 27. Всего 54
Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется
выпрямляющий контакт металл-полупроводник.
Уровень вакуума
Металл
М
Полупроводник n- типа
П
 FМ
Уровень Ферми
металла
Зона проводимости
Уровни доноров
З
 FП
Валентная зона
Автор Останин Б.П.
Уровень Ферми
полупроводника
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 28. Всего 54
Уровень вакуума
Металл
Полупроводник n- типа
П
М
 FМ
Уровень Ферми
металла
Автор Останин Б.П.
Зона проводимости
Уровни доноров
З
 FП
Валентная зона
Уровень Ферми
полупроводника
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 29. Всего 54
Уровень вакуума
Металл
М
Уровень вакуума
n- типа
Металл
П
n- типа
П
М
 FМ
З
 FП
Валентная зона
 FМ
З
 FП
Валентная зона
Если подключить источник внешнего напряжения
плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику nтипа, то потенциальный барьер понизится и через
переход начнёт протекать прямой ток. При
противоположно
подключении
потенциальный
барьер увеличивается, и ток оказывается очень
малым.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 30. Всего 54
У диодов Шоттки отсутствует инжекция
неосновных носителей, следовательно, явления
накопления и рассасывания, поэтому диоды Шоттки
– очень быстродействующие приборы. Они могут
работать на частотах до десятков ГГц. У диода
Шоттки может быть малый обратный ток и малое
прямое напряжение (при малых прямых токах) –
около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых диодов.
Максимальный прямой ток – сотни ампер,
максимальное обратное напряжение – сотни вольт.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 31. Всего 54
Пример. Кремниевый диод с барьером Шоттки КД923А.
IПР. МАКС = 100 мА;
UОБР. МАКС = 14 В (при t  35C);
Время жизни носителей заряда – не более 0,1 нс;
Постоянный обратный ток при UОБР = 10 В и при t =
25C – не более 5 мкА.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 32. Всего 54
Варикап. Прибор, ёмкость которого управляется
напряжением. На варикап подают обратное
напряжение. Барьерная ёмкость варикапа
уменьшается при увеличении обратного напряжения.
Характер изменения ёмкости у варикапа такой же,
как и у обычного диода.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 33. Всего 54
Пример. График общей ёмкости диода 2Д212А от
обратного напряжения. Для этого диода:
максимальный постоянный (средний) ток – 1А;
максимальное постоянное (импульсное) обратное
напряжение 200- В.
СД – общая ёмкость диода.
СД, пФ
200
150
100
50
-100 -80 -60 -40 -20
Автор Останин Б.П.
0
u, В
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 34. Всего 54
Туннельный диод. Характерной особенностью
туннельного диода является наличие на прямой
ветви
ВАХ
участка
с
отрицательным
дифференциальным сопротивлением.
Пример. Туннельный диод 1И104А, предназначен
для усиления в диапазоне длин волн 2…10 см (частота
более 1ГГц).
IПР. МАКС = 1 мА;
UОБР. МАКС = 20 мВ
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
iПР, мА
Полупроводниковые диоды. Слайд 35. Всего 54
1И104А
1,6
1,2
0,8
0,4
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
uПР, В
Общая ёмкость диода в точке минимума
характеристики составляет 0,8…1,9 пФ.
Участок с отрицательным дифференциальным
сопротивлением позволяет использовать туннельный
диод в качестве усилительного элемента и в качестве
основного элемента генераторов (именно в этом
качестве они используются в области СВЧ).
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 36. Всего 54
Обращённый диод. Физические явления в нём
подобны явлениям в туннельном диоде. При этом
участок с отрицательным дифференциальным
сопротивлением на ВАХ отсутствует или очень слабо
выражен.
Обратная ветвь ВАХ обращённого диода
отличается очень малым падением напряжения и
используется в качестве прямой ветви, а прямая
ветвь в качестве обратной ветви ( отсюда название).
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 37. Всего 54
Пример. ВАХ обращённого диода 1И401А,
предназначенного, кроме прочего, для работы в
импульсных устройствах. У этого диода:
постоянный прямой ток - не более 0,3 мА;
постоянный обратный ток - не более 4 мА при t  35C;
общая ёмкость в точке минимума ВАХ 1,2…1,5 пФ.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 38. Всего 54
IПР, мA
1И401А
0,6
0,5
+70С
0,4
+25С
0,3
-60С
0,2
0,1
0,2 0,1
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
UПР, В
2
4
6
8
IОБР, A
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 39. Всего 54
Последовательное включение диодов
Обратные сопротивления однотипных диодов
могут отличаться в десятки раз.
Пусть в некотором выпрямителе амплитуда
обратного напряжения составляет 1000 В. В наличии
имеются диоды с UОБР МАКС = 400 В. Следовательно
нужно не менее трёх диодов.
А
К
VD1
Автор Останин Б.П.
VD2
VD3
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 40. Всего 54
Предположим, что RОБР1 = 1 Мом, RОБР2 = 1
Мом, RОБР3 = 3 Мом. Тогда UОБР1 = UОБР2 = 200 В, а
UОБР3 = 600 В. Третий диод будет пробит. Всё
напряжение приложится к оставшимся двум
диодам – по 500 В. Сгорят за доли секунды.
Диоды шунтируют, например сопротивлениями
RШ = 100 кОм. Тогда обратное напряжение
распределится практически равномерно между
диодами.
RШ1
RШ2
RШ3
А
К
VD1
Автор Останин Б.П.
VD2
VD3
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 41. Всего 54
Параллельное включение диодов
Различие в прямом токе у однотипных диодов
может составлять десятки процентов.
Пусть имеются два диода с допустимым прямым
током 0,2 А, включённые параллельно, так как
нужно получить ток 0,4 А.
VD2
VD1
А
Автор Останин Б.П.
К
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 42. Всего 54
i
0,3
0,2
0,1
0
0,4 0,5
uПР, В
При токе 0,2 напряжение на первом диоде (красный)
равно 0,4 В, на втором же диоде (синий) при этом же
напряжении ток равен всего 0,05 А. Увеличивать
напряжение нельзя, так как у первого диода ток станет
больше допустимого. Чтобы установить правильный
режим надо подвести к диодам прямое напряжение 0,5 В,
но последовательно с первым диодом включить
уравновешивающий резистор RУ, с целью погашения на
нём излишнего для него напряжения 0,1 В.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 43. Всего 54
VD2
RУ
А
VD1
К
ΔU
0,1
RУ =
=
= 0,5 Ом
I ДОП 0,2
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 44. Всего 54
Импульсный режим работы диода
i
VD
uД
R
t
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 45. Всего 54
u
И = 1 мкс
t, мкс
0
И
i
5
t, мкс
0
iОБР УСТ
tВОС
i
Импульсный диод
И = 1 мкс
5
t, мкс
0
iОБР УСТ
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 46. Всего 54
i
5
t, мкс
0
tВОС
iОБР УСТ
Главная причина обратного тока – разряд
диффузионной ёмкости, т.е. рассасывание зарядов,
образованных подвижными носителями в p и n
областях.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 47. Всего 54
Поскольку концентрации примесей в этих областях весьма
различны, то практически импульс обратного тока создаётся
рассасыванием заряда накопленного в базе. Например, если nобласть является эмиттером, а р-область – базой, то при
прямом токе можно пренебречь потоком дырок и р-области в
n-область и рассматривать только поток электронов их nобласти в р-область. При перемене полярности накопленный
заряд начинает двигаться в обратном направлении и возникает
импульс обратного тока. Чем больше был прямой ток, тем
больше накапливалось электронов в базе и тем сильнее
импульс обратного тока. Двигаясь от базы обратно в эмиттер,
электроны частично рекомбинируют с дырками, а частично
проходят через n-область до металлического вывода от этой
области.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 48. Всего 54
IПР
n
p
UПР
IОБР
n
p
UОБР
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 49. Всего 54
Время

называют
временем
ВОС
восстановления обратного сопротивления. Это
время важный параметр для импульсных диодов.
У них  ВОС не превышает десятых долей
микросекунды.
Вторая причина возникновения импульса
обратного тока – заряд барьерной ёмкости под
действием обратного напряжения. У импульсных
диодов она не превышает нескольких пикофарад.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 50. Всего 54
Принципы устройства диодов
Точечный диод. Тонкая заострённая проволочка (игла) с
нанесённой на неё примесью приваривается при помощи
импульса тока к пластинке полупроводника с определённым
типом электропроводности. Из иглы диффундирует примесь,
которая создаёт область с другим типом электропроводности.
р
n
Германий n-типа, проволочка из вольфрама (игла) покрыта
индием (донор).
Кремний n-типа, проволочка из вольфрама (игла) покрыта
алюминием (акцептор).
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 51. Всего 54
Сплавной и диффузионный диоды
р
р
n
n
Мезадиоды. Для наиболее коротких импульсов.
n
р
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 52. Всего 54
Классификация и система обозначений диодов
В основе:
ОСТ 11336.919-81
ГОСТ 20859.1-89
- для не силовых;
- для силовых диодов.
Первый элемент (цифра или буква) – исходный
полупроводниковый материал;
Второй (буква) – подкласс приборов;
Третий (цифра) – основные функциональные
возможности;
Четвёртый (число) – порядковый номер разработки;
Пятый
–
буква,
условно
определяющая
классификацию (разбраковку по параметрам)
приборов, изготовленных по единой технологии.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 53. Всего 54
Исходный полупроводниковый материал диодов.
Г, или 1, - германий или его соединения;
К, или 2, - кремний или его соединения;
А, или 3, - соединения галлия;
И, или 4, - соединения индия.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Полупроводниковые диоды. Слайд 54. Всего 54
Подкласс диодов.
Д – выпрямительные и импульсные;
Ц – выпрямительные столбы и блоки;
В – варикапы;
И – туннельные;
А – сверхвысокочастотные;
С – стабилитроны;
Г – генераторы шума;
Л – излучающие оптоэлектронные приборы;
О – оптопары.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда