Файл: Конспект лекций по дисциплине оп. 06 Материаловедение, электрорадиомате риалы и радиокомпоненты для студентов специальности 11. 02. 16 сост. Фролов А. Л.pdf

28 тельных диодов основан на вентильном свойстве p-n-перехода. Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности. Диоды малой мощности предназначены для выпрямления токов до 300 мА, средней и большой мощности – для выпрямления токов соответственно от 300 мА до 10 А и от 10 до 1000 А. Преимущества кремниевых диодов по сравнению с германиевыми: малые обратные токи; возможность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших значениях обратных напряжений. Преимущество гер- маниевых диодов – малое падение напряжения 0,3
С. Другим преимуществом диодов из арсенида галлия является значительно большая подвижность носителей, что позволяет их использовать на частотах до
100…500 кГц. 280 С, арсенид-галлиевые – до 240 150 С, кремниевые – до
120 80
В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные диоды, выполненные на основе несимметричных p- n-переходов. Барьерная емкость перехода из-за большой площади велика и ее значе- ние достигает десятков пикофарад. Германиевые диоды могут быть использованы при температурах не более 70
Максимальное обратное напряжение маломощных низкочастотных выпрямительных диодов лежит в пределах от нескольких десятков до 1200 В. Для более высокого на- пряжения промышленностью выпускаются выпрямительные столбы, использующие несколько последовательно соединенных диодов в одном корпусе. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА – для кремниевых.
Мощные (силовые) диоды различаются по частотным свойствам и работают на час- тотах в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц и изготавливаются преиму- щественно из кремния.
Работа при больших прямых токах и высоких обратных напряжениях связана с выде- лением значительной мощности в p-n-переходе. Поэтому в установках с диодами средней и большой мощности используются охладители – радиаторы с воздушным и жидкостным охлаждением. При воздушном охлаждении тепло отводится с помощью радиатора. При этом охлаждение может быть естественным (за счет конвекции воз- духа) или принудительным (с использованием обдува корпуса прибора и радиатора с помощью вентилятора). При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость (вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости).
К основным параметрам выпрямительных диодов относятся:
– максимально допустимый прямой ток
;
– прямое падение напряжения на диоде
(при
);
– максимально допустимое обратное напряжение
;
– обратный ток при заданном обратном напряжении
(при
);
– диапазон рабочих температур окружающей среды;
– коэффициент выпрямления
;
– предельная частота выпрямления, соответствующая уменьшению коэффициента выпрямления в 2 раза.

29
Емкость конденсатора, обеспечивающая амплитуду пульсаций напряжения на на- грузке при максимальном токе нагрузки
,определяется согласно выраже- нию
. (16)
Емкость диода слагается из емкости корпуса и емкости p-n-перехода (
).
Уменьшение емкости корпуса достигается применением корпусов специальной конструкции. С этой же целью высокочастотные диоды часто выполняются вообще без корпуса, в этом случае они используются как составная часть гибридной инте- гральной схемы или модуля, который размещается в герметичном корпусе.
Прямая ветвь ВАХ точечного диода практически не отличается от реальной ВАХ p-n- перехода, а обратная ветвь не имеет ярко выраженного участка насыщения, что объ- ясняется процессами генерации носителей заряда в неоднородном поле точечного контакта, вызванной лавинным умножением.
Импульсные диоды 40 мВт). предназначены для работы в импульсных и цифро- вых устройствах. Обозначаются так же, как и выпрямительные, имеют малую дли- тельность переходных процессов. От выпрямительных диодов отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и характеризуются рядом параметров, оп- ределяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30
При воздействии на диод коротких по времени прямоугольных импульсов напряже- ния или тока форма тока через диод или напряжения на нем будет отличаться от пря- моугольной, что обусловлено инерционностью процессов накопления и рассасывания носителей в базе и перезарядом его барьерной емкости. При малых уровнях напряже- ния и тока длительность переходных процессов определяется барьерной емкостью, а при больших – диффузионной.
Для уменьшения необходимо уменьшить объем полупроводниковой структуры и увеличить скорость рекомбинации неосновных носителей, что достигается техноло- гией изготовления импульсных диодов: введением в исходный материал нейтральных примесей, чаще всего золота (Au), для создания так называемых «ловушек» – центров рекомбинации.
Импульсные диоды характеризуются рядом специальных параметров:
– общая емкость диода
(десятые доли – единицы пикофарад);
– максимальное импульсное прямое напряжение
;
– максимально допустимый импульсный ток
;
– время установления прямого напряжения
– интервал времени между началом протекания прямого тока через диод и моментом, когда прямое напряжение на диоде достигает 1,2 установившегося значения (доли наносекунд – доли микросекунд);
– время обратного восстановления диода
– время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через

30 нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения (доли наносекунд – доли микросекунд).
Для уменьшения применяют специальные разновидности импульсных дио- дов:диоды с барьером Шотки (ДБШ), диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В ДБШ переход выполнен на основе выпрямляющего контакта металл-полупроводник, в ко- тором работа выхода из металла выше, чем работа выхода из полупроводника. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их бы- стродействие зависит только от скорости процесса перезаряда барьерной емкости.
Инжекция в таких диодах является односторонней, инжектируют электроны из полу- проводника в металл, где они являются единственным типом носителей. По этой причине отсутствует накопление неосновных носителей в базе. Конструктивно ДБШ выполняются в виде пластины низкоомного кремния n-типа, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На по- верхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Инерционность
ДБШ в основном определяется барьерной емкостью выпрямляющего контакта, кото- рая может быть меньше 0,01 пФ.
В ДНЗ база изготавливается неравномерно легированной по длине. Концентрация примеси в базе по мере приближения к p-n-переходу уменьшается, поэтому неравно- мерной оказывается и концентрация основных носителей базы – электронов, если ба- за имеет проводимость n-типа. За счет этого электроны диффундируют в сторону p-n- перехода, оставляя в глубине базы избыточный положительный заряд атомов донор- ной примеси, а вблизи перехода избыточный заряд электронов. Между этими заряда- ми возникает электрическое поле, направленное в сторону перехода. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу при прямом включении диода, концен- трируются (накапливаются) в базе у границы перехода. При переключении диода с прямого на обратное направление эти дырки под действием поля внутри перехода быстро уходят из базы в эмиттер, и время восстановления обратного сопротивления уменьшается. Для изготовления таких диодов применяется меза- и эпитаксиальная технология.
Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на ко- тором сохраняется с определенной точностью при протекании через него тока в за- данном диапазоне, и предназначенный для стабилизации напряжения. Принцип дей- ствия стабилитронов основан на использовании электрического вида пробоя p-n- перехода при обратном смещении. В качестве стабилитронов используются плоско- стные кремниевые диоды.
Как показано на рис. 10, обратная ветвь ВАХ имеет участок со слабой зависимостью напряжения от величины обратного тока (участок с электрическим пробоемp-n- перехода). При изменении тока стабилитрона в диапазоне значений от до напряжение на стабилитроне незначительно изменяется в пределах от до
, что обусловливает небольшое значение дифференциального сопротивле- ния стабилитрона:

31
. (17)
Рис. 10
Напряжение стабилизации обычно определяется среднеарифметическим значе- нием минимального и максимального тока стабилитрона:
. (18)
Величина обратного напряжения, при котором начинает развиваться электрический пробой, в значительной степени зависит от удельного сопротивления исходного ма- териала, определяемого концентрацией примеси. В стабилитронах с напряжением стабилизации менее 5 В преобладает туннельный пробой, от 5 до 7 В наблюдаются оба вида электрического пробоя – туннельный и лавинный, а выше 7 В преобладает лавинный пробой. При изменении температуры напряжение стабилизации изме- няется. Низковольтные и высоковольтные стабилитроны имеют противоположный знак изменения напряжения стабилизации при увеличении температуры. При тун- нельном пробое с ростом температуры уменьшается, а при лавинном – возраста- ет.В стабилитронах с напряжением стабилизации от 5 до 7 В влияние температуры незначительно, т.к. в переходе существуют оба вида пробоя.
Основными параметрами стабилитронов являются:
– напряжение стабилизации
– падение напряжения на стабилитроне при проте- кании заданного тока стабилизации;
– минимальный и максимальный токи стабилитрона в режиме стабили- зации;
– температурный коэффициент напряжения стабилизации
(19) – отношение относительного изменения напряжения стабилизации, выраженного в процентах, к вызвавшему его изменению температуры;

32
– дифференциальное сопротивление стабилитрона
, определяемое на участке пробоя;
– статическое сопротивление
. (20)
Полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжений менее
1 В с использованием прямой ветви ВАХ, называются стабисторами. Для изготов- ления стабисторов используется кремний с высокой концентрацией примеси либо се- лен.
Устройство, предназначенное для стабилизации постоянного напряжения, в котором используется стабилитрон, называется параметрическим стабилизатором напряже-
ния, поскольку его характеристики полностью определяются параметрами стабили- трона. Принципиальная схема такого стабилизатора представлена на рис. 11. Нагруз- ка подключена параллельно стабилитрону, при этом напряжение на ней остается по- стоянным с определенной степенью точности. Ток стабилитрона, который задается гасящим или балластным резистором
, должен лежать в диапазоне значений
. Требуемое сопротивление резистора находится согласно выраже- нию
Рис. 11
, (21) где
, которое получено из уравнений, записанных по законам Кирхгофа для данной схемы.
Варикап – полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Они делятся на подстроечные, или варикапы, и умножительные, или варакторы. Варикапы ис- пользуются для изменения резонансной частоты колебательных контуров. Варакторы применяются для умножения частоты. График зависимости емкости варикапа от об- ратного напряжения, которая описывается выражением (21).
Основными специальными параметрами варикапов являются:
– номинальная емкость
, измеренная при заданном обратном напряжении
;
– коэффициент перекрытия по емкости
– отношение емкостей вари- капа при двух заданных значениях обратного напряжения;
– сопротивление потерь
– суммарное активное сопротивление, включающее со- противление кристалла, контактных соединений и выводов;

33
– добротность
– отношение реактивного сопротивления варикапа на задан- ной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь;
– температурный коэффициент емкости
– отношение относитель- ного изменения емкости, выраженного в процентах, к вызывавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.
Схема включения варикапа в колебательный контур. Обратное напряжение подается на варикап через высокоомный резистор
, предотвращающий шунтирование вари- капа малым внутренним сопротивлением источника питания по переменному току.
Разделительный конденсатор устраняет шунтирование варикапа индуктивностью контура по постоянному току.
Кроме рассмотренных диодов выпускаются туннельные диоды, диоды Ган-
на, лавинно-пролетные диоды, работающие в диапазоне сверхвысоких частот
(0,3…300 ГГц), а также фото- и излучательные диоды, используемые в фотоэлек-
трических и оптоэлектронных приборах и в качестве светоиндикаторных уст-
ройств.
Тема 3.6 Транзисторы
1 Устройство и принцип действия транзистора. Разновидности биполярных транзи- сторов. Система обозначений. Полевые транзисторы.
Биполярные транзисторы относятся к группе полупроводниковых приборов. Они имеют три вывода и два р-n-перехода. Принцип работы этих устройств позволяет ис- пользовать и положительные и отрицательные заряды, то есть, дырки и электроны.
Управление током, протекающим через них, осуществляется специально выделенным управляющим током. Благодаря своим качествам, этот активный прибор получил широкое распространение. Основой биполярных транзисторов являются трехслойные полупроводники, типа «р-n-р» и «n-р-n», а также р-n-переходы, в количестве двух.
Каждый полупроводниковый слой соединяется с внешним выводом через невыпрям- ляющий металло-полупроводниковый контакт. В качестве базы используется сред- ний слой, подключенный к соответствующему выводу. Два крайних слоя также со- единяются с выводами и называются эмиттером и коллектором. На схемах эмиттер обозначается стрелкой, которая показывает направление тока, проходящего через транзистор. В различных приборах, носители электричества дырки и электроны вы- полняют собственные индивидуальные функции. Тип n-р-n транзисторов получил наибольшее распространение, по сравнению с р-n-р-типом, благодаря лучшим харак- теристикам и параметрам. Это связано с тем, что в n-р-n устройствах основная роль отводится электронам, обеспечивающим все электрические процессы. Их подвиж- ность в 2-3 раза выше, чем у дырок, таким образом, они проявляют более высокую активность. Кроме того, свойства любого прибора улучшаются за счет того, что пло- щадь перехода коллектора существенно превышает площадь перехода эмиттера. В состав каждого биполярного транзистора входят два р-n-перехода. Поэтому, работо- способность таких приборов проверяется путем контроля сопротивления этих пере- ходов во время подключения к ним прямого и обратного напряжения. Нормальная