Файл: 1. Полупроводники. Основные положения теории электропроводимости. Собственная и примесная проводимость полупроводника.docx

4.Емкость p-n перехода

Диод обладает емкостными свойствами, т.е. способен накапливать и отдавать заряд при увеличении или уменьшении приложенного напряжения. Накопление заряда происходит в p-n-переходе и в базе диода, и в соответствие с этим различают две составляющие емкости – барьерную и диффузионную:
C_Д=C_бар+C_дф

Барьерная (зарядная) емкость определяется изменением нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. Поэтому идеальный электронно-дырочный переход можно рассматривать как плоский конденсатор, емкость которого определяется соотношением:



где S, l(U) – соответственно площадь и толщина p-n-перехода.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в p-n-переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь p-n-перехода и меньше его ширина.

Ширина p-n-перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше U_обр. Это используется в полупроводниковых приборах (варикапах), служащих конденсаторами переменной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади p-n-перехода составляет десятки и сотни пикофарад. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, а.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от p-n-перехода, где их концентрация в результате диффузии через p-n-переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутствует. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, б.

---

Рис. 2.7. Зависимость барьерной (а) и диффузионной (б) емкостей p-n перехода от напряжения

Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном – барьерную.

5 Полупроводниковые диоды. Принцип работы , графическое обозначение. Основные характеристики и параметры .

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним или несколькими электрическими переходами и двумя выводами для подключения к внешней цепи. Принцип действия большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрических переходах.

Диоды классифицируются: по материалу (селеновые, германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые); структуре перехода (точечные, плоскостные) ; назначению (выпрямительные, импульсные, стабилитроны и т.д.) ; диапазону частот (низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные диоды (СВЧ-диоды)); виду вольт-амперной характеристики и т.д.



Основные характеристики и параметры диодов

• 
  Вольт-амперная характеристика
  
• 
  Максимально допустимое постоянное обратное напряжение
  
• 
  Максимально допустимое импульсное обратное напряжение
  
• 
  Максимально допустимый постоянный прямой ток
  
• 
  Максимально допустимый импульсный прямой ток
  
• 
  Номинальный постоянный прямой ток
  
• 
  Прямое постоянное напряжение на диоде при номинальном токе (т. н. «падение напряжения»)
  
• 
  Постоянный обратный ток, указывается при максимально допустимом обратном напряжении
  
• 
  Диапазон рабочих частот
  
• 
  Ёмкость
  
• 
  Пробивное напряжение (для защитных диодов и стабилитронов)
  
• 
  Тепловое сопротивление корпуса при различных вариантах монтажа
  
• 
  Максимально допустимая мощность рассеивания
  

У словные графические обозначения полупроводниковых диодов на схемах электрических принципиальных представлены на рис. 3.5. Выводы диода называются катод и анод. Катод – вывод прибора, через который ток вытекает во внешнюю цепь. 

---

Анод – вывод прибора, через который ток втекает в прибор из внешней цепи.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.



Диод закрыт

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.



Диод открыт

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

---

6.Выпрямительные диоды. Принцип работы графическое обозначение. Основные характеристики и параметры .

Выпрямительный диод – преобразователь тока переменного в постоянный. Является одним из видов полупроводников. Широкое применение получил благодаря основной характеристике – переводу электрического тока строго в одном направлении.

1. 
   постоянное прямое напряжение на диоде при заданном значении прямого тока через диод
   
2. 
   постоянный прямой ток
   
3. 
   величина обратного тока при заданном значении обратного напряжения
   
4. 
   максимальное обратное напряжение
   
5. 
   рабочий диапазон температур
   
6. 
   максимальная частота, на которой еще не происходит ухудшение основных параметров
   
7. 
   тепловое сопротивление переход-корпус, переход-среда
   
8. 
   максимальная емкость диода
   
9. 
   внутреннее или диф-ное сопротивление диода в рабочей точке 
   
10. 
    сопротивление постоянного тока коэффициент выпрямления 
    

В соответствии со значением прямого тока, который является максимально допустимым, выпрямительный диод может иметь малую, среднюю и большую мощности:

• 
  малой - выпрямляют прямой ток до 300 mA;
  
• 
  выпрямительные диоды средней мощности - от 300 mA до 10 А;
  
• 
  большой - более 10 А
  

По применяемым материалам они бывают кремниевые и германиевые, однако более широкое применение нашли кремниевые выпрямительные диоды. У них обратные токи в несколько раз меньше, чем в германиевых, в то время как напряжение одинаково. Это дает возможность добиваться в полупроводниках очень высокой величины допустимых обратных напряжений, которые могут составлять до 1000-1500 В. В германиевых диодах этот параметр находится в диапазоне 100-400 В.

Кремниевые диоды способны сохранять работоспособность в диапазоне температур от -60 ºС до +150 ºС, а германиевые – только от -60 ºС до +85 ºС. Это происходит потому, что когда температура становится выше 85 ºС, количество образовавшихся электронно-дырочных пар достигает таких величин, что резко увеличивается обратный ток, и выпрямитель перестает работать эффективно

---

Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.

При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр. Этот ток называется прямым Iпр. Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:

• 
  0,7 Вольт для кремниевых диодов,
  
• 
  0,3 Вольт - для германиевых.
  

Естественно, прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:

• 
  пробой - диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
  
• 
  обрыв - здесь, думаю, пояснения излишни.
  

Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр, которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.

Коэффициент выпрямления

. Это дифференциальные параметры Он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

7.Диоды Шоттки. Устройство , графическое обозначение. Основные характеристики и параметры

Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки.

В диодах Шоттки в качестве барьера Шоттки используется переход металл-полупроводник, в отличие от обычных диодов, где используется p-n переход. Переход металл-полупроводник обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n перехода). К ним относятся: пониженное падение напряжения при прямом включении, высокий ток утечки, очень маленький заряд обратного восстановления. Последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n переходом у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей, т.е. они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной емкостью.

---