Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

Зворотний струм можна  визначити з рівняння ( ), замінивши значення U_F на - U_R. Враховуючи, що в робочій частині діапазону зворотних струмів j_T<<ïU_Rï, одержимо

i_R=I₀ .

Струм i_R значно менший за і_F . Пряма і зворотна вітки вольт-амперної характеристики, що відповідають рівнянням () і (), показані на рис.

Із співвідношень () та () вольт-амперної характеристики випливає, що значення і напрям струму, який протікає через р-n-перехід, залежать від значення і знака прикладеної напруги. При прямому зміщенні опір p-n-переходу незначний, а струм великий. Зворотне зміщення на переході зумовлює значно більший опір і малий зворотний струм. Таким чином, р-n-перехід має односторонню провідність, що дозволяє використати його для випрямлення змінного струму.

Якщо зворотна напруга  перевищує деяке значення U_(BR) (рис. ), що називається пробивною напругою, то зворотний струм різко зростає. Якщо його не обмежити, то відбувається електричний пробій р-n-переходу, що супроводжується часто тепловим пробоєм. Електричний пробій пояснюється значним збільшенням напруженості електричного поля в р-n-переході при U_R>U_(BR) . Воно надає електронам і діркам енергії, достатньої для ударної іонізації частинок в переході, відбувається лавиноподібний процес розмноження додаткових пар зарядів. Внаслідок цього різко зростає зворотний струм. Короткочасний електричний пробій не руйнує р-n-переходу, тобто є оборотним явищем. А тепловий пробій супроводжується перегрівом р-n-переходу, що виводить останній з ладу.

З ростом температури зростає як прямий, так і зворотний струм. Вольт-амперна характеристика р-n-переходу при більш високій температурі показана на рис. штриховою лінією.

Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковим діодом називається  електроперетворювальний прилад з одним р-n-переходом і двома зовнішніми виводами від областей кристала з провідностями різного виду. Саме р-n-перехід визначає властивості, технічні характеристики та параметри будь-якого напівпровідникового діода. Корпус діода, в якому міститься кристал напівпровідника з р-n-переходом, а також інші конструктивні елементи для закріплення кристала в корпусі забезпечують експлуатаційні характеристики діода: стійкість при дії нагрівання, вологи, ударних та вібраційних навантажень тощо.

За конструктивно-технологічним  принципом діоди, як і р-n-переходи, поділяються на площинні й точкові. Найбільш поширені площинні діоди. Точкові діоди, які мають малу ємність р-n-переходу, використовуються лише в надвисокочастотному діапазоні, але при малих струмах.

Напівпровідникові діоди знаходять  широке застосування при розв'язанні схемотехнічних питань усіх напрямків промислової електроніки. Малі маси та габарити, високий опір зворотному і малий опір прямому струму, висока швидкодія дозволяють застосовувати їх практично в будь-яких виробах сучасної електронної техніки. За призначенням напівпровідникові діоди поділяють на випрямні, високочастотні та надвисокочастотні, імпульсні, опорні (стабілітрони), чотиришарові перемикаючі, фотодіоди, світлодіоди та ін.

Випрямні діоди. Найчастіше випрямні діоди застосовують як випрямлячі змінного струму низької частоти 50—100 000 Гц. Крім цього, випрямні діоди широко використовують у схемах керування та комутації для обмеження паразитних викидів напруг у колах з індуктивними елементами, як елементи розв'язки в електричних колах та ін.

В залежності від початкового напівпровідникового матеріалу діоди підрозділяють на дві групи: германієві та кремнієві. Останні одержали найбільшого поширення, оскільки мають у багато разів менші зворотні струми і більші зворотні напруги порівняно з германієвими діодами, які доцільно застосовувати при низьких напругах, оскільки при однакових струмах спад напруги на германієвому діоді, зміщеному в'прямому напрямі, менший, ніж на кремнієвому діоді.

Основою випрямного діода є напівпровідниковий кристал, в якому методом сплавлення або дифузії сформований р-n-перехід. Область діодів з низькою концентрацією домішкових атомів має звичайно електронну провідність (провідність n-типу) і її називають б а з о ю. Товщина бази значно більша за товщину високолегованої області з дірковою провідністю (провідністю p-типу), яка межує з базою і яку називають емітером. Монокристал з р-n-переходом вміщують у металевий або коваровий корпус з двома зовнішніми виводами від емітера і бази (відповідно від анода і катода). Це забезпечує захист р-n-переходу від впливу атмосфери. Конструкція випрямного діода середньої потужності показана на рис. а його умовне позначення і вольт-амперна характеристика — на рис. .

З порівняння вольт-амперних характеристик  реального діода і р-п-переходу (див. рис.) можна зробити висновок про адекватність цих характеристик. Пряма і зворотна вітки вольт-амперної характеристики діода приблизно описуються рівняннями ( ) та ( ). З врахуванням опору базової області r_B точний вираз, що описує пряму вітку вольт-амперної характеристики діода, можна навести у вигляді

i_A=I₀{exp[(U_A-i_Ar_B)/j_T]-1},

звідки визначимо диференційний опір у будь-якій точці прямої вітки характеристики

R_Д=dU_A/di_A=j_T/(i_A+i₀)+r_{B .}

Оскільки j_т малий, то вже при невеликому прямому струмі виконується нерівність j_т/(i_A+I_O)<<r_B, і опір діода визначається лінійним опором бази r_B . Тому при невеликому прямому струмі (приблизно i_F » 100 мА) експоненційна залежність прямого струму переходить у лінійну, що є основною робочою ділянкою характеристики.

Основними параметрами випрямних  діодів, що характеризують їх роботу у випрямних схемах, є: середнє за період значення випрямленого струму i_FAV, який може тривалий час протікати через діод за припустимого його нагрівання; середнє за період значення прямої напруги u_FAV, яке однозначно знаходять з вольт-амперної характеристики при заданому значенні i_FAV ; середнє за період значення зворотного струму 1_FRV при заданому значенні зворотної напруги U_R гранична частота f_max діапазону, в межах якого струм діода не зменшується нижче заданого значення.

Важливе значення мають також параметри граничного електричного режиму випрямного діода, а саме: максимально допустима постійна зворотна напруга U_Rmax, яку довгочасно витримує діод, зберігаючи нормальну роботу; максимально допустимий постійний прямий струм I_F(OV) діода.

Випрямні діоди підрозділяють на діоди малої потужності (i_fav 0,3 А), середньої потужності (0,ЗА I_FAV 10 A) і великої потужності (I_FAV>10 A). Останні називають силовими і позначають буквою В.

Досить часто на практиці застосовують групове вмикання діодів. Так, при відсутності високовольтного діода можна послідовно ввімкнути декілька низьковольтних зразків (на рис. показано послідовне з'єднання трьох діодів, сумарна допустима зворотна напруга яких 3U_Rmax перевищує зворотну напругу, що діє в розглянутому електричному колі). Для ліквідації нерівномірності розподілу зворотної напруги між послідовно з'єднаними діодами останні шунтують опорами R_ш= 1 ... 10 кОм, які забезпечують стійкий рівномірний розподіл зворотної напруги як в часі, так і зі зміною температури.

Якщо прямий струм  в електричному колі перевищує значення, допустиме для одного діода, то рекомендується застосувати паралельне ввімкнення діодів (). Однак внаслідок неідентичності прямих віток вольт-амперних характеристик випрямних діодів навіть одного типу струм, що протікає через одну з паралельних віток, може значно перевищувати струми, що протікають в інших вітках паралельного з'єднання діодів. При цьому один з діодів перегрівається, його пробивна напруга знижується, що викликає подальший розігрів діода за рахунок збільшення зворотного струму, і діод виходить з ладу. Таким чином, паралельне з'єднання діодів допустиме лише в тому випадку, коли в кожну вітку послідовно з діодом ввімкнений додатковий опір R_Д , що становить одиниці або частини ома.

У наш час серійно  випускається велика номенклатура випрямних  стовпів та блоків, що вміщують в  одному корпусі сукупності діодів або  закінчені схеми випрямлячів. Відповідним  з'єднанням зовнішніх виводів можна вмикати діоди паралельно або послідовно, створювати схеми мостових однофазних і трифазних випрямлячів та ін.

Високочастотні діоди — це напівпровідникові прилади універсального призначення, їх застосовують в тих самих електронних пристроях, що й випрямні діоди, однак при меншому електричному навантаженні, а також в модуляторах, детекторах, перетворювачах частоти й інших нелінійних перетворювачах електричних сигналів. Випрямлячі змінного струму, в яких використовують високочастотні діоди, працюють в широкому діапазоні частот (до кількох сотень мегагерц).

У ранніх розробках вони мали точкові р-п-переходи, в зв'язку з чим до нашого часу за ними збереглася назва точкові. Однак із впровадженням електрохімічного методу виготовлення р-п-переходів широкого застосування набули мікросплавні високочастотні напівпровідникові діоди з р-п-переходами площинного типу дуже малих розмірів. Порівняно з точковими мікросплавні діоди мають більші допустимі струми і кращі характеристики при зворотному ввімкненні.

Конструкцію типового високочастотного діода показано на рис., а його умовне графічне позначення і вольт-амперну характеристику — на рис.. Пряма вітка вольт-амперної характеристики високочастотного діода не відрізняється від відповідної вітки характеристики випрямного діода (див. рис.). Однак в зворотній вітці характеристики внаслідок малої площі р-п -переходу ділянка насичення відсутня, і зворотний струм з ростом напруги рівномірно зростає за рахунок струмів витоку і термогенерації. Постійний прямий струм точкових діодів не перевищує 50 мА, а допустима постійна зворотна напруга становить 150 В. Для мікросплавних діодів ці параметри мають більші значення.

Одним з основних параметрів високочастотних діодів є статична ємність С_д між зовнішніми виводами, яка визначається бар'єрною ємкістю р-п-переходу

де e- відносна діелектрична проникність; e₀ - діелектрична проникність вакууму; N_Д - концентрація домішки п-типу; S - площа р-п-переходу; u_r — зворотна напруга.

Чим менше значення С_Д, тим ширший діапазон робочих частот діода. Звичайно С_Д 1 пФ. Інші параметри високочастотних діодів такі самі, як у випрямних.

У діапазоні підвищених частот необхідно враховувати інерційність діода, пов'язану з накопиченням заряду в області бази і емітера поблизу р-п-переходу. Інерційність діода, а також ємність на дуже високих частотах роблять сумірними амплітуди прямого і зворотного струмів робочих сигналів, і діод втрачає властивість односторонньої провідності. За частотними властивостями високочастотні діоди подиляють на дві групи: 1) f_max 100 МГц; 2) 300 МГц f_max 1000 МГц. На більш високих частотах використовують НВЧ-діоди з дуже малим радіусом точкового контакту (2—3 мкм).

Імпульсні діоди використовують як ключові елементи в пристроях імпульсної техніки. Конструкція імпульсних діодів та їх вольт-амперні характеристики такі, як і у високочастотних діодів (). Крім високочастотних властивостей, імпульсні діоди повинні мати мінімальну тривалість перехідних процесів у момент вмикання та вимикання. Виготовляються точкові й площинні імпульсні діоди.

Після вмикання прямого  струму І_FM (рис.) в базі діода поблизу p-n-переходу виникає надлишкова концентрація неосновних носіїв заряду, в результаті чого знижується прямий опір діода, а, отже, напруга на діоді U_FMm перевищує усталену напругу U_Fgr (рис.). Відношення U_FMm/I_FM називають найбільшим імпульсним опором R_Mm . Оскільки надлишковий нерівноважний заряд в базі розсмоктується за час, що не менший за час життя неосновних носіїв заряду (час, протягом якого концентрація нерівноважних носіїв заряду зменшується в е раз, для германію і кремнію він становить 10... 100 мкс), то напруга на діоді знижується до 1,2U_Fgr за кінцевий інтервал часу, який називають часом встановлення прямого опору (напруги) t_gr. Найбільш кардинальний спосіб зниження t_gr— зменшення товщини бази.

Якщо U_Fgr швидко змінити на зворотну u_r (рис.), то зворотний струм різко зростає до значення I_Rm(рис.) за рахунок того, що накопичені в базі (n-шарі) при протіканні прямого струму дірки втягуються полем р-n-переходу назад в емітер (р-шар). При цьому зворотний опір різко зменшується. В результаті подальшого процесу рекомбінації дірок з електронами, що займає кінцевий відрізок часу, концентрація дірок досягає рівноважного значення, а зворотний струм зменшується до встановленого значення I₀ . Проміжок часу з моменту припинення прямого струму до моменту, коли зворотний струм досягає свого встановленого знечення I₀, називають часом відновлення зворотного опору (струму I₀) діода.

Імпульсні діоди, як і випрямні, характеризуються статичними параметрами i_fav та 1_R , а також параметрами граничного режиму І_Fm та u_rm . Проте основні імпульсні параметри такі: С_д , f_gr та R_Mm, а також струм І_Mт , який може значно перевищувати i_fav , оскільки при короткочасних (обумовлених у довіднику) імпульсах прямого струму можна не побоюватись перегріву діода. Імпульсні параметри покращуються, якщо використати при виготовленні діодів напівпровідникові матеріали з малим часом життя нерівноважних носіїв заряду. Суттєве зниження часу життя нерівноважних носіїв заряду (до 0,5—0,8 нc) досягається легуванням германію та кремнію золотом (так звані імпульсні діоди із золотою зв'язкою). При цьому також знижуються ємність Сд та зворотний струм діода.