Основи електроніки (стр. 5 )

2.7 Контрольні запитання та приклади

1. Визначити опір бруска алюмінію довжиною 20 см і поперечним перерізом 1.5 х 2 см.

2. Визначити опір 5-метрового мідного дроту діаметром 1.5 мм.

3. Найти питомий опір германія по формулі (2.5).

4. Знайти по формулі (2.4) концентрацію вільних електронів в кремнії :

а) при температурі 300˚ К;

б) при температурі 320˚ К;

в) при температурі 330˚ К.

Порівняти результати п. а) з даними табл. 2.2. Як узгоджуються результати пп. б) і в) з тим фактом, що при збільшенні температури на кожних 10˚ електропровідність кремнію збільшується в два рази?

5. Дайте визначення pn-перехода.

6. Чому pn-перехід часто називають запираючим шаром?

7. Чим зумовлений стрибок потенціала на границі pn-перехода?

8. Що таке рівень Фермі і як він розміщений в ізольованому pn-переході?

9. Запишіть рівняння вольтамперної характеристики pn-перехода.

10. Як змінюється ширина pn-перехода при зворотному включенні зовнішньої напруги?

11. Яка ємність більша - бар'єрна чи дифузна - при зворотному включенні зовнішньої напруги до pn-переходу?

12. Як змінюється дифузійна ємність pn-перехода із зростанням прямого струму через нього?

13. Як пояснити вплив температури на форму вольтамперної характеристики pn-перехода?

14. Які типи пробоїв pn-перехода можливі? Охарактеризуйте їх природу.

РОЗДІЛ 3.

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

3.1 Класифікація, призначення та умовні позначення діодів

Напівпровідниковим діодом називають напівпровідниковий прилад з одним pn-переходом і двома виходами. Він проводить струм тільки в одному напрямку. Невеликі габаритні розміри і маса, висока швидкодія і надійність, низька вартість дозволяють використовувати їх практично в будь-яких сучасних електронних вузлах.

Згідно зі звичаєм, напівпровідникові діоди класифікують за призначенням, конструктивно-технічними особливостями та за видом напівпровідникового матеріалу.

За призначенням діоди поділяються на випрямні, стабілітрони (опорні діоди), універсальні, імульсні, варікапи, НВЧ (надвисокочастотні) діоди, фотодіоди та світлодіоди.

За конструктивно-технічними особливостями діоди поділяються на площинні та точкові.

За типом матеріалу діоди поділяють на германієві, кремнієві, селенові, арсенідгалієві, карбід-кремнієві, тощо.

Умовні графічні зображення деяких типів діодів показані на рис.3.1,а¸з.

+ -

анод, катод

емітер база

а) б) в) г)

д) є) ж) з)

Рисунок 3.1- Умовні графічні позначення діодів: а - випрямний,

б-стабілітрон, в - симетричний стабілітрон, г-тунельний діод, д - діод Шоткі, є - фотодіод, ж - світлодіод, з -варікап

Умовні позначення (маркування) діодів складається з елементів:

-1-й елемент (цифра або буква) означає матеріал напівпровідника: 1 або Г-германій; 2 або К-кремній; 3 або А-арсенід-галлій, тощо;

-2-й елемент (буква)-характеризує клас або групу діодів: Д-випрямні, універсальні і імпульсні; А-надвисокочастотні (НВЧ); С-стабілітрони; В-варікани; Н-тунельні; Ц-випрямні стовпи і блоки;

-3-й елемент (трьохзначний номер по сотнях)-група застосування, дається в справочнику;

- 4-й елемент - літери А, Б,В, Г і т. д.: показує різновидність діода даного типу.

Приклад: КС156А-кремнієвий стабілітрон малої потужності, різновидність А.

За способом виготовлення розрізняють сплавні та дифузійні pn- переходи в діодах.

Сплавний перехід отримують (рис.3.2,а), розміщуючи на монокристалічний кремній n-типу 2 алюмінієву таблетку 1. Цю заготовку нагрівають в інертному середовищі. Алюміній розплавляється, і розчиняє в собі деяку кількість кремнію (рис. 3.2,б). Утворюється капля розплаву 3 алюмінію з кремнієм. При наступному охолодженні (рис.3.2,в) частина розчиненого кремнію в розплаві виділяється в твердій фазі і утворює монокристалічний шар 4, легований алюмінієм, і тому має провідність р-типу. Розплав, який залишається після цього, при дальнішому охолодженні застигає і утворює твердий металічний силуміновий електрод.

3 3 5

2 6

nnnnnnnn 2 2

nnnnnggn

2

7

a) б) в) г)

Рисунок 3.2- Метод виготовлення сплавного переходу

Дифузійний перехід використовується для виготовлення високочастотних діодів і діодів великої потужності. Його виготовлення зображено на рис.3.3.

1 2 p

1

a) б) в)

Рисунок 3.3- Спрощена схема виготовлення дифузійного рn- переходу

Заготовку (1) кристала напівпровідника з провідністю n-типу (рис. 3.3, а) нагрівають в парах акцепторної домішки, яка при цьому дифундує в поверхневі шари (2) напівпровідникового матеріалу, утворюючи в них провідність р-типу (рис. 3.3,б). Після цього шар р-типу за допомогою травлення залишають тільки з однієї сторони (рис. 3.3,в).

3.2 Випрямні діоди, їх основні характеристики і особливості застосування

Діоди, призначені для перетворення змінного струму в постійний в діапазоні частот 50 Гц – 100 кГц, до стабільності параметрів яких звичайно не пред’являють спеціальних вимог, називаються випрямними.

Для випрямних діодів характерно, що вони мають малий опір в провідному стані і дозволяють пропускати великі струми. Їх бар¢єрна ємність через велику площу рn – переходу велика і сягає значень десятків пікофарад.

На сьогодні за випрямні діоди використовують сплавні площинні кремнієві, германієві та арсенід–галієві діоди.

Кремнієві діоди завдяки більшій величині забороненої зони мають значно менші зворотні струми Ізв і витримують більші зворотні напругиUзв. В свою чергу, падіння напруги на германієвому діоді менше, ніж на кремнієвому діоді при однакових струмах. Це пояснюється тим, що в германієвих діодах величина опору в прямому напрямку в 1.5 – 2 рази менша, ніж у кремнієвих, при однаковому струмі навантаження. Тому потужність, що розсіюється на германієвому діоді, в стільки ж разів менша. Тому в випрямних пристроях низьких напруг переважно використовують германієві діоди, а в високовольтних – кремнієві.

Для порівняння на рис.3.4 наведені типові вольт-амперні характеристики германієвого (1) і кремнієвого (2) діодів.

Іпр, А

0.3

0.1

Uпр, B

Uзв, B 0.5 1

20

40

Iзв, мкA

Рисунок 3.4- Порівняльні вольт–амперні характеристики германієвого (1) та кремнієвого(2) діодів

Германієві випрямні діоди використовуються при температурах
-60…+180°С; кремнієві, арсенід-галієві – при температурах –60…+150°С.

До основних параметрів випрямних діодів відносяться:

1 – середній прямий струм Іп. ср - середнє за період значення випрямленого струму, що протікає через діод (сотні мА-десятки А);

2 – максимально допустима зворотна напруга на діоді Uзв..max- значення напруги, прикладеної в зворотному напрямку, яке діод може витримати на протязі тривалого часу без втрати працездатності (десятки В – тисячі В);

3 - імпульсний прямий струм діода Іпр..і - пікове значення імпульса струму при заданній максимальній тривалості, формі імпульса;

4 – середній зворотній струм діода Ізв. ср- середнє за період значення зворотнього струму (частки мА – одиниці А);

5 – середня пряма напруга діода Uпр. ср при заданому середньому значенні прямого струму (частки В);

6 – диференціальний опір діода rдиф – відношення приросту напруги на діоді до невеликого приросту струму, що його викликав, rдиф =DU/Di (одиниці - сотні Ом);

7 - середня розсіювана діодом потужність Рср. д - середня за період потужність, що розсіюється діодом, при протіканні струму в прямому і зворотному напрямках (сотні мВт – десятки Вт та вище).

Найпростіша випрямна схема напівперіодного випрямляча складається з діода Д1 і опору навантаження R, увімкнених в коло змінної напруги (рис.3.5).

D1 Uвих Uвх

ІR

R

t

~Uвх 10 Ом

IR

a) б)

Рисунок 3.5-Напівперіодний випрямляч: а-схема електрична; б-форми напруги і струму

При проходженні додатньої півхвилі вхідної синусоїдальної напруги Uвх, коли вона перевищує 0.4 В для германієвого або 0.7 В для кремнієвого діодів, діод Д1 відкривається і падіння напруги на опорі R дорівнює Uвих. = Uвх –0.4В або Uвих =Uвх-0.7В відповідно. Коли ж вхідна напруга менша 0.4 В або 0.7 В, а також на протязі від¢ємної півхвилі, діод розмикається і вихідна напруга Uвих =0.

Приклад 3.1. На схему, зображену на рис. 3.5, подано синусоїдальну напругу з амплітудою 5 В.Завдання:

1.Намалювати форму струму.

2.Визначити амплітуду зворотної напруги на діоді.

Рішення:

1.Для додатної півхвилі вхідної напруги струм IR в опорі навантаження дорівнює

.

При від"ємній вхідній напрузі струм дорівнює 0, так як діод в зворотному напрямку струм не пропускає.

2. Так як падіння напруги на опорі для від"ємної півхвилі вхідної напруги дорівнює 0, то вся зворотна напруга прикладена до діода, і її амплітуда дорівнює 10 В.

Під час розробки випрямних схем може виникнути необхідність отримати випрямний струм, що перевищує гранично допустиме значення для данного діода. В цьому випадку використовують паралельне увімкнення однотипних діодів (рис. 3. 6, а).

а) в)

Рисунок 3.6- Паралельне (а) і послідовне (б) включення діодів

Щоб запобігти перевантаженню і виходу з ладу в паралельному увімкненні одного з діодів, що може трапитись через технологічний розкид їх параметрів, струми через них вирівнюють увімкненням додаткових резисторів величиною в декілька Ом.

Послідовне увімкнення діодів (рис. 3.6,б) використовують в високовольтних колах. При такому з’єднанні напруга розподіляється між всіма діодами. Паралельно кожному з них вмикають резистор порядку 100 кОм, що робить рівними напруги на цих діодах завдяки вирівнюванню їх зворотних опорів і забезпечує надійність їх роботи.

3.3.Напівпровідникові стабілітрони.

Напівпровідникові стабілітрони, по іншому опорні діоди, призначені для стабілізації напруги. В них використовується явище електричного пробою pn–переходу при увімкненні діода в зворотному напрямку. Механізм пробою може бути тунельним, лавинним або змішаним. В стабілітронах з низькою напругою стабілізації використовується тунельний пробій, а в високовольтних – лавинний.

При виготовленні стабілітронів найбільш поширеними є сплавний і дифузійно-сплавний методи отримання рn–переходів. Матеріали що використовуються для створення рn–перехода стабілітронів, мають високу концентрацію домішок. В цьому випадку напруженність електричного поля в переході значно вища, ніж в звичайних діодах. Тому вже при відносно невеликих зворотних напругах в рn–переході стабілітрона виникає сильне електричне поле, яке викликає його електричний пробій. В цьому режимі електричний пробій не переходить в тепловий незворотного характеру.

Найважливішою характеристикою стабілітрона є його вольтамперна характеристика. Як приклад на рис.3.7 наведені вольтамперні характеристики стабілітрона КС 510 А при різних температурах.

25°С

-Uв°С

Uп

-55°С 9

100°С

21

25°С

Рисунок 3.7- Вольт-амперні характеристики стабілітрона.

Пряма вітка стабілітрона практично не відрізняється від прямої вітки будь-якого діода. Зворотна вітка стабілітрона складається з двох відрізків. На відрізку зворотних напруг Uзв = 0 ÷ Uп , де Uп – напруга пробою, через стабілітрон протікає невеликий струм витоку, який мало змінюється до області напруги пробою Uп . На цьому відрізку нахил вольт-амперної характеристики дуже малий, тому диференціальний опір стабілітрона, який визначається цим нахилом, , дуже великий. Зворотна вітка в області напруги пробою (стабілізації) Uп має велику крутизну, струм на цьому відрізку різко зростає, падіння напруги на діоді майже не змінюється і практично дорівнює напрузі стабілізації Uп. Диференціальний опір , як видно з рис. 3.7, дуже малий. Цей режим роботи якраз і використовується для стабілізації напруги.

Найбільш проста, але достатньо розповсюджена, схема стабілізатора постійної напруги на стабілітроні наведена на рис. 3.8.

R

Rн

Рисунок 3.8- Схема параметричного стабілізатора постійної напруги на стабілітроні

Схема являє собою подільник напруги, який складається з резистора R і стабілітронаVD. При зміні напруги живлення Uвх напруга на стабілітроні VD і на навантаженні Uвих змінюється незначно, в чому і виражається стабілізуюча дія схеми.

Приклад 3.2. Для схеми рис. 3.8 знайти струм через резистор і падіння напруги на стабілітроні для двох варіантів:

а) диференціальним опором стабілітрона можна знехтувати, опір навантаження Rн = .

б) диференціальний опір стабілітрона дорівнює 10 Ом, Rн= .

Рішення:

а) Якщо знехтувати диференціальним опором, на стабілітроні КС510А буде постійне падіння напруги Uвх=Uп=10 В, тоді .

б) Так як диференціальний опір увімкнений в коло послідовно, то в цьому випадку .

Тоді вихідна напруга буде визначатися виразом Uвих=Uп+URд=Un+ І2 *Rд.

Uвих =10+9.9*10-3 *10=10.099=10.1 В.

До основних параметрів стабілітронів відносяться:

1 - Напруга стабілізації Uст –падіння напруги на стабілітроні в області стабілізації при номінальному значенні струму (декілька десятків В).

2 – Максимальний струм стабілізації Іст.max (декілька мА-декілька А).

3 - Мінімальний струм стабілізації Іст.min (долі – десятки мА).

4 - Диференціальний опір Rдиф – відношення приросту напруги на стабілітроні до приросту струму в режимі стабілізації, (долі Ом – тисячі Ом).

5 - Температурний коефіціент напруги стабілізації -відносна зміна напруги стабілізації при зміні температури навколишнього середовища на (тисячні частки процента).

6 – Максимальна потужність розсіювання Рmax – найбільша потужність, що виділяється на рn-переході, при якій ще не виникає теплового пробою.

3.4 Високочастотні діоди

Високочастотні діоди є приладами універсального призначення і використовуються для випрямлення, детектування і інших нелінійних перетворень електричних сигналів в діапазонні до 600 МГц. Їх виготовляють з германія або кремнія у вигляді рn-переходу точкової структури, що забезпечує невелику ємність переходу (не більше 1 пф). Однак мала площа контура не дозволяє розсіювати значні потужності, тому високочастотні діоди використовуються, головним чином, в схемах радіоприймальної та вимірювальної апаратури, що працює на високих частотах, а також в низьковольтних випрямлячах з малими струмами. Вплив температури на величину зворотного струму слабкіший, чим в площинних діодах, - подвоєння зворотного струму відбувається при збільшенні температури на 15 – 20°С, в той час як в площинних зворотний струм збільшується в 2 – 2.5 рази при підвищенні температури на кожні 10°С. В доповнення до вказаних в розділі 3.2 параметрів, суттєвими для високочастотних діодів мають наступні параметри:

- загальна ємність діода Сд – ємність, заміряна між виводами діода при заданих напрузі зміщення і частоти (частки пФ – одиниці пФ);

- диференціальний опір Rдиф - відношення приросту напруги на діоді до невеликого приросту струму, що його визвав,;

- діапазон частот f – різниця граничних значень частот, при яких середній випрямлений струм діода не менше заданої частки його на низькій частоті (десятки - сотні МГц ).

В надвисокочастотних схемах, інтегральних логічних схемах використовують діоди Шотткі, які виконанні на основі контакту метал – напівпровідник. Для цього на кремнієву пластину n-типу наноситься метал (золото, алюміній, платина, нікель і т. д.), до якого під'єднується вивід анода, а до пластинки кремнію за допомогою спеціального контакта під'єднується вивід катода. Електрони з напівпровідника n-типу переходять в метал, утворюючи на їхній границі від'ємний заряд в металі і позитивний в напівпровіднику. Електричне поле, що виникає при цьому, перешкоджає подальшому переміщенню електронів, і в зоні переходу формується збіднена область. Якщо на металічний контакт подати позитивну напругу, то притік надлишкових електронів відновиться, тобто появиться струм в прямому напрямку. Негативний потенціал, підведений до металу (анода), збільшує потенціальний бар'єр рn–перехода, і струм в колі відсутній.

Діоди Шоткі мають дві основних переваги порівнянно зі звичайними діодами: