Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Основные типы диодов




Выпрямительные диоды. Выпрямительные диоды — самые рас­пространенные полупроводниковые диоды, применяемые в выпрями­телях — устройствах, преобразующих переменный ток промышлен­ной частоты в постоянный. В выпрямительных диодах используются переходы с большой площадью для пропускания больших токов.Кремниевые выпрямительные диоды работают в диапазоне темпе­ратур от -60 до +125°С. Предельный электрический режим диодов характеризуется максимальным обратным напряжением Uобр. max и максимальным

прямым током Iвыпр (или средним выпрямленным то­ком). Эти параметры являются классификационными.

 

Отечественной промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратным напряжением до нескольких тысяч вольт.

Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих

допу­стимые Uобр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока может применяться параллельное включение диодов.

Стабилитроны.Стабилитроны предназначены для использования в схемах, обеспечивающих стабилизацию напряжений.

Рабочим участком ВАХ стаби­литрона является участок в обла­сти электрического пробоя. ВАХ кремниевого стабилитрона пока­зана на рис.1.3. Максимальный ток Imax ограничивается лишь мощностью Pmax , рассеиваемой переходом. Эта мощность приводится в справочных данных ( Imax=Pmax/Uст , где Uст - напряжение ста­билизации).

У современных стабилитронов величина максимального тока лежит в пределах от нескольких миллиампер до нескольких ам­пер. Превышение этой величины ведет к выходу диода из строя из-за теплового пробоя. Минимальный ток стабилизации у разных типов стабилитронов обычно составляет доли — единицы миллиампер. На­пряжение стабилизации t/CT для серийных диодов находится в пре­делах от единиц до нескольких сотен вольт.

Основным классификационным параметром стабилитронов явля­ется напряжение стабилизации. В диапазоне рабочих токов задается также максимальнаяо величина дифференциального сопротивления диода (сопротивление прибора переменному току в рабочей точке). Обычно это сопротивление не превышает нескольких десятков Ом. Если стабилитрон используется в схеме прецизионного стабилизато­ра, то для него важным классификационным параметром является температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН= , который показывает, как меняется относительная величина напряжения стабилизации при изменении температуры на 1°С.

У выпускаемых прибо­ров ТКН не превышает ±0,1%/°С. Величина и знак ТКН зависят от напряжения стабилизации (рис.1.4):для на­пряжений меньших 5 В, соот­ветствующих узким переходам, в которых преобладает туннель­ный пробой, ТКН отрицателен; для напряжений больших 5 В , соответствующих широким переходам, в которых имеет место лавин­ный пробой, ТКН положителен.

Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к различным методам. Например, для стабилитронов с положительным ТКН используют последовательное подключение прямосмещенного n-p - перехода, у которого ТКН от­рицателен. Среднее значение ТКН такого прибора не превышает не­скольких тысячных

 

долей в широком диапазоне температур и на протяжении времени через него протекает прямой ток.

Варикапы. Зависимость емкости n-p -перехода от обратного на­пряжения используется в полупроводниковых диодах, называемых ва­рикапами. Для варикапов характерна малая инерционность процесса изменения емкости. Они используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоматической подстройки частоты, в пара­метрических усилителях и других устройствах. Благодаря малому об­ратному току потери в переходе несущественны, поэтому добротность емкости варикапа оказыва­ется высокой. Добротность оце­нивается отношением реактивно­го сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь диода на заданной частоте и за­висит от частоты. Основной ха­рактеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика (рис. 1.5).

Важнейшим парамет­ром варикапа является коэффи­циент перекрытия по емкости

Кс = Cв1/ Св2 , где Св1 и Св2 — ем­кости варикапа при заданных зна­чениях обратного напряжения Uобр1 и Uобр2 .Вольт-фарадная характеристика варикапа нелинейна. Для ряда современных варикапов коэффициент перекрытия по емкости может достигать десятков единиц при изменении обрат­ного напряжения от десятых долей вольта до десяти — двадцати вольт.

Основными классификационными параметрами варикапов явля­ются:

емкость Св.н при номинальном обратном напряжении Uобр.н, коэффициент перекрытия по емкости, минимальная добротность на заданной частоте и максимально допустимое обратное напряжение.

Высокочастотные диоды. Рассмотренные ранее выпрямительные диоды, как правило, применяются в схемах, в которых частота подво­димого к диоду напряжения не превышает нескольких килогерц. Са­мые современные выпрямительные диоды с барьером Шотки работа­ют на частотах порядка сотен килогерц — единиц мегагерц. Однако в целом ряде устройств требуются полупроводниковые диоды, рабочая частота которых должна достигать единиц и даже десятков гигагерц. Такие диоды называются высокочастотными.

В высокочастотных диодах часто используют точечную конструкцию, в которой n-p-переход образован контактом металлической иг­лы с полупроводниковым кристаллом.. Площадь контакта — менее 50 мкм2, поэтому емкость перехода мала. Для точечных диодов характерны меньшие допустимые величины обратных напряжений, чем у ранее рассмотренных диодов. Особенностями ВАХ диода точечной конст­рукции являются отсутствие ярко выраженного горизонтального уча­стка на обратной ветви и плавный переход в режим пробоя. Основны­ми классификационными параметрами являются прямой ток при за­данном напряжении, как правило, равном

1 В, и допустимое обратное напряжение. Предельные электрические параметры — это макси­мальный прямой ток через диод Iпр.max и максимальное обратное на­пряжение Uобр..max .

Переключающие диоды. В ряде электронных схем полупроводни­ковый диод должен работать в режиме переключения, т.е. в одни пе­риоды времени он оказывается смещенным в прямом направлении, а в другие — в обратном. В первом случае сопротивление диода мало, во втором — велико. В идеальном случае переключение из одного со­стояния в другое должно происходить мгновенно. Реально время пе­рехода из одного состояния в другое имеет определенную величину.

Рассмотрим причины, ограничивающие быстродействие переклю­чающих диодов. Пусть в схеме (рис. 1.6а) входное напряжение имеет прямоугольную форму (рис.1.6б).При Uвх=U1 >0 диод открывается, и на протяжении временя t0 через него протекает прямой ток

iпр= (рис. 1.6в). При этом в базе накапливается заряд инжекти­рованных в нее неосновных носителей. Когда входное напряжение скачком изменяется от U1 до U2, сопротивление диода вначале оказы­вается небольшим, поскольку в базе существует заряд. При этом об­ратный ток имеет величину, равную

iобр. max= .

С течением времени накопленный заряд уменьшается за счет протекания обратного тока и рекомбинации носителей. При этом уве­личивается обратное сопротивление, а обратный ток уменьшается до установившегося значения Iобр.

Быстродействие переключающих диодов характеризуется време­нем ty установления прямого напряжения на диоде, которое зависит от скорости диффузии инжектированных в базу неосновных носите­лей, и временем tB восстановления обратного сопротивления. За вре­мя восстановления принимается время, прошедшее с момента подачи на диод обратного напряжения (смены полярности входного напря­жения), до момента времени, когда обратный ток достигает опреде­ленного заданного значения. В качестве заданного в некоторых слу­чаях берут значение обратного тока, равное 0,1 inp, а в некоторых - 0,1 iобр. max

Характер изменения обратного тока во времени показан на рис.1.6в. Время восстановления можно разбить на два интервала — t1 и t2. В интервале t1 обратный ток почти не уменьшается, так как концентра­ция неосновных носителей заряда на границе перехода остается не­равновесной. В конце интервала времени t1 концентрация на границе становится равновесной, и начинается быстрое уменьшение обратно­го тока и рост обратного сопротивления диода.

Основными классификационными параметрами переключающих диодов являются: максимальное прямое импульсное сопротивление Rимп.max , равное отношению максимального импульсного прямого на­пряжения на диоде к импульсному прямому току Iпр.имп , время вос­становления обратного сопротивления и емкость при заданном обрат­ном напряжении. У современных переключающих диодов tB составля­ет 10 + 100 нс и менее.

 

 

Диоды Шотки. В диодах этого типа используется контакт Шотки (контакт металл-полупроводник). Инжекция неосновных носителей в базу отсутствует, так как прямой ток образуется электронами, движущимися из кремния в металл. На­копление заряда в базе диода не происходит, и поэтому время пере­ключения диода может быть существенно уменьшено (до значений порядка 100 пс).

Другой важной особенностью диодов Шотки является меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением обычного n-p -перехода при тех же токах. Это объясняется тем, что тепловой ток I0, у перехода с барьером Шотки примерно на три порядка превышает ток n-p -перехода. Причиной этого является движение электронов в металл из полупроводника, происходящее с тепловой скоростью, существенно превышающей диффузионную. Диоды Шотки используются в комбинации с транзисторами для работы в переключающих схемах. Мощные диоды Шотки с прямыми токами до десятков ампер и обрат­ными напряжениями до сотен вольт применяются в выпрямителях переменного тока.

Фотодиод(ФД) представляет собой диод с открытым p-n-переходом. Световой поток, падающий на открытый p-n-переход приводит к появлению в одной из областей дополнительных не основных носителей зарядов, в результате чего увели­чивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой

(1.3)

где — фототок, — интегральная чувствительность, Ф — световой поток. Вольт-амперные характеристики ФД приведены на рис. 1.7 а, а его схематическое изображение — на рис.1.7 б

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2)холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде равен фототоку, т. е.

Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6-7 порядков. В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого

хода , как отмечено на рис. 1.7 а, лежит на горизонтальной оси. Для определе­ния

 

 

этого напряжения можно прологарифмировать выражение (1.3), откуда на­ходим

 

. (1.4)

Таким образом, при I=0 область Р заряжается положительно, а область N — отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется раз­ность потенциалов, называемая фото-эдс. Фото-эдс равна напряжению и не может превышать контактной разности потенциалов . (Для кремниевых фотодиодов напряжение <0.7 В).

Схема включения фотодиода на нагрузку при­ведена на рис. 1.8а, а нагрузочная характеристика — на рис. 1.86.Для построения нагрузочной прямойна горизонтальной оси нужно отложить напряжение источника Е, а на вертикальной оси — ток короткого замыкания . Прямая, соединяющая эти точки, и являет­ся нагрузочной прямой. Пересечение нагрузочной прямой с вольт-амперными характеристиками фотодиода позволяет определить напряжение на нагрузке . Для этого нужно из точек пересечения восстановить перпендикуляры до пересечения с горизонтальной осью. Эти точки пересечения и дают значение напряжения на нагрузке.

Из приведенного на рис. 1.86 построения следует, что при отсутствии осве­щения напряжение на фотодиоде будет максимальным Uтемн. При увеличении осве­щения ток в фотодиоде возрастает, а напряжение на нем падает. Напряжение на нагрузке

определяется как разность напряжения источника питания и напряжения на фотодиоде

.

График зависимости приведен на рис. 1.8 в.

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения. Ос­новными характеристиками фотодиодов являются: диапазон длин волн принима­емого излучения, интегральная чувствительность Si ,темновой ток Iт ,постоянная времени . Большинство фотодиодов работает в широком диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения = 0,4...2мкм. Интегральная чув­ствительность зависит от площади p-n-перехода и может изменяться в пределах 10-3... 1 мкА/люкс.

 

Темновой ток обычно невелик и имеет значение 102... 1мкА.

В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним и интегрированным вместе с фотоприемником.

Светоизлучающие диоды(СИД) преобразуют электрическую энергию в свето­вое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, т. е. без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной. В СИД преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять материал, из которого изготовлен светодиод, или изменять ток. На рис. 1.9. а показано схематическое изображение светодиода, а на рис. 1.9 б приведены спектральные характеристи­ки излучения.

 

Для изготовления светодиодов наиболее часто используют фосфид галлия или арсенид галлия. Для диодов видимого излучения часто используют фосфид-арсенид галлия. Из отдельных светодиодов собирают блоки и матрицы, которые по­зволяют высвечивать изображения букв и цифр.

Инжекционный лазер — это диод с монохроматическим излучением. Когерен­тное монохроматическое излучение обеспечивается стимулированной фотонной рекомбинацией, которая возникает при инжекции носителей заряда при опреде­ленном токе. Минимальный ток, при котором преобладает стимулированная фотонная рекомбинация, называется пороговым. При увеличении тока выше по­рогового значения происходит ухудшение монохроматического излучения.

 

Контрольные вопросы.

1. Нарисуйте ВАХ полупроводникового диода.

2. Расскажите о влиянии температуры на ВАХ диода.

3. Какими параметрами характеризуются выпрямительные диоды?

4. Нарисуйте ВАХ стабилитрона. Расскажите о его основных параметрах.

5. Нарисуйте вольт-фарадную характеристику варикапа, расскажите о его основ­ных параметрах.

 

 

6. Какими параметрами характеризуются переключающие диоды?

7. Почему диоды Шотки обладают малым временем переключения?

8. Как построить нагрузочную характеристику для фотодиода?

9. Где применяют светоизлучающие диоды?







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 1751. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2020 год . (0.008 сек.) русская версия | украинская версия