Полупроводниковый диод

ВАХ реального полупроводникового диода

Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

Vϒ(гамма) — напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — Vϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. Vϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

ID_MAX — максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока ID_MAX. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

IOP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока IOP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость PN-перехода

Даже если на диод подать напряжение значительно выше Vϒ, он не начнет мгновенно проводить ток. Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время. Это сказывается на частотных характеристиках прибора.

Генераторы на диодах Ганна

Ток-напряжение (IV) кривая диода Ганна. Это показывает отрицательное сопротивление напряжение выше порогового (V_порог)

Отрицательное дифференциальное сопротивление в сочетании с временными характеристиками промежуточного слоя отвечает за наибольшее использование диода: в электронные генераторы в микроволновая печь частоты и выше. СВЧ-генератор можно создать, просто применив ОКРУГ КОЛУМБИЯ напряжение для смещения устройства в область отрицательного сопротивления. Фактически, отрицательное дифференциальное сопротивление диода нейтрализует положительное сопротивление цепи нагрузки, тем самым создавая цепь с нулевым дифференциальным сопротивлением, которая вызывает спонтанные колебания. Колебание частота Частично определяется свойствами среднего диодного слоя, но может регулироваться внешними факторами. В реальных генераторах электронная резонатор обычно добавляется к контрольной частоте в виде волновод, микроволновая печь или же ЖИГ сфера. Диод обычно устанавливается внутри резонатора. Диод компенсирует сопротивление потерь резонатора, поэтому он производит колебания на своем резонансная частота. Частоту можно настроить механически, регулируя размер резонатора, или, в случае сфер ЖИГ, изменяя магнитное поле. Диоды Ганна используются для создания генераторов в 10 ГГц к высокому (ТГц ) Диапазон частот.

Арсенид галлия Диоды Ганна производятся для частот до 200 ГГц, нитрид галлия материалов может доходить до 3 терагерц.

Использование

Полупроводниковый диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «П. д.» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных П. д. различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных П. д. выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.

  Наиболее многочисленны П. д., действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р—n-перехода). Если к р—n-переходу диода (рис. 1) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область — течёт большой прямой ток (рис. 2). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р—n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентная схема такого П. д.

На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные П. д., имеющие допустимый выпрямленный ток I_в до 300 а и максимальное допустимое обратное напряжение U*_обр от 20—30 в до 1—2 кв. П. д. аналогичного применения для слаботочных цепей имеют I_в< 0,1 а и называются универсальными.

При напряжениях, превышающих U*_o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n-перехода, приводящий к выходу П. д. из строя. С целью повышения U*_обр до нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которых несколько одинаковых выпрямительных П. д. соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок составляет > 10-5—10-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50—2000 гц). Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10-7—10-10 сек и создать быстродействующие импульсные П. д., используемые, наряду с диодными матрицами, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

Выпрямительные схемы

Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные. Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме.

Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы.

Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора.

Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора.

Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится.

Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность.

В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно.

Области применения диодов

Современные производители предлагают широкий ассортимент диодов, адаптированных для конкретных областей применения.

Выпрямительные диоды

Эти устройства служат для выпрямления синусоиды переменного тока. Их принцип действия основывается на свойстве устройства переходить в закрытое состояние при обратном смещении. В результате работы диодного прибора происходит срезание отрицательных полуволн синусоиды тока. По мощности рассеивания, которая зависит от наибольшего разрешенного прямого тока, выпрямительные диоды делят на три типа – маломощные, средней мощности, мощные.

• Слаботочные диоды могут использоваться в цепях, в которых величина тока не превышает 0,3 А. Изделия отличаются малой массой и компактными габаритами, поскольку их корпус изготавливается из полимерных материалов.
• Диоды средней мощности могут работать в диапазоне токов 0,3-10,0 А. В большинстве случаев они имеют металлический корпус и жесткие выводы. Производят их в основном из очищенного кремния. Со стороны катода изготавливается резьба для фиксации на теплоотводящем радиаторе.
• Мощные (силовые) диоды работают в цепях с током более 10 А. Их корпусы изготавливают из металлокерамики и металлостекла. Конструктивное исполнение – штыревое или таблеточное. Производители предлагают модели, рассчитанные на токи до 100 000 А и напряжение до 6 кВ. Изготавливаются в основном из кремния.

Диодные детекторы

Такие устройства получают комбинацией в схеме диодов с конденсаторами. Они предназначены для выделения низких частот из модулированных сигналов. Присутствуют в большинстве аппаратов бытового применения – радиоприемниках и телевизорах. В качестве детекторов излучения используются фотодиоды, преобразующие свет, попадающий на светочувствительную область, в электрический сигнал.

Ограничительные устройства

Защиту от перегруза обеспечивает цепочка из нескольких диодов, которые подключают к питающим шинам в обратном направлении. При соблюдении стандартного рабочего режима все диоды закрыты. Однако при выходе напряжения сверх допустимого назначения срабатывает один из защитных элементов.

Диодные переключатели

Переключатели, представляющие собой комбинацию диодов, которые применяются для мгновенного изменения высокочастотных сигналов. Такая система управляется постоянным электрическим током. Высокочастотный и управляющие сигналы разделяют с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита

Эффективную искрозащиту создают с помощью комбинирования шунт-диодного барьера, ограничивающего напряжение, с токоограничительными резисторами.

Параметрические диоды

Используются в параметрических усилителях, которые являются подвидом резонансных регенеративных усилителей. Принцип работы основан на физическом эффекте, который заключается в том, что при поступлении на нелинейную емкость разночастотных сигналов часть мощности одного сигнала можно направить на рост мощности другого сигнала. Элементом, предназначенным для содержания нелинейной емкости, и является параметрический диод.

Смесительные диоды

Смесительные устройства используются для трансформации сверхвысокочастотных сигналов в сигналы промежуточной частоты. Трансформация сигналов осуществляется, благодаря нелинейности параметров смесительного диода. В качестве смесительных СВЧ-диодов используются приборы с барьером Шоттки, варикапы, обращенные диоды, диоды Мотта.

Умножительные диоды

Эти СВЧ устройства используются в умножителях частоты. Они могут работать в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн. Как правило, в качестве умножительных приборов используются кремниевые и арсенид-галлиевые устройства, часто – с эффектом Шоттки.

Настроечные диоды

Принцип работы настроечных диодов основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от величины обратного напряжения. В качестве настроечных используются приборы кремниевые и арсенид-галлиевые. Эти детали применяют в устройствах перестройки частоты в сверхчастотном диапазоне.

Генераторные диоды

Для генерации сигналов в сверхвысокочастотном диапазоне востребованы устройства двух основных типов – лавинно-пролетные и диоды Ганна. Некоторые генераторные диоды при условии включения в определенном режиме могут выполнять функции умножительных устройств.

Теория

Цель работы

Ознакомиться с основными фотометрическими
величинами; ознакомиться с принципом работы
фотометра; проверить
выполнение закона Ламберта для источника света

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют
собой полупроводниковые
приборы с одним электронно-дырочным переходом
(p–n-переходом).

Одним из свойств p–n-перехода является способность
изменять свое сопротивление в зависимости от
полярности
напряжения внешнего источника. Причем разница
сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока
через
p–n-переход может быть
настолько велика, что в ряде случаев, например для
силовых диодов, можно считать, что
ток протекает через диод только в одном направлении –
прямом, а в обратном направлении ток настолько мал,
что им
можно пренебречь. Прямое направление – это когда
электрическое поле внешнего источника направлено
навстречу
электрическому полю p–n-
перехода, а обратное – когда направления этих
электрических полей совпадают.
Полупроводниковые диоды, использующие вентильное
свойство p–n-перехода, называются выпрямительными
диодами и
широко используются в различных устройствах для
выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного
p–n-перехода описывается известным уравнением

где \(I_0\) – обратный ток p–n-перехода; \(q\) –
заряд электрона \(q=1,6\cdot 10^{-19}\ Кл\); \(k\) –
постоянная
Больцмана \(k = 1,38⋅10^{-23} Дж\cdot град\); \(T\) –
температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости
представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную
нелинейность, что предопределяет зависимость
сопротивления
диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое \(R_{ст}\) и
динамическое \(R_{дин}\). Статическое сопротивление
\(R_{ст}\),
например в точке А (рис. 1.1), определяется как
отношение напряжения \(U_A\) и тока \(I_A\),
соответствующих этой точке: \(R_{ст} =
\frac{U_A}{I_A} = tg{\alpha}\)

Динамическое сопротивление определяется как отношение
приращений напряжения и тока (рис. 1.1):
\(R_{дин} = \frac{\Delta U}{\Delta I}\);

Рис. 1.1

При малых значениях отклонений \(∆U\) и \(ΔI\)
можно пренебречь нелинейностью
участка АВ характеристики и считать его гипотенузой
прямоугольного треугольника
АВС, тогда \(R_{дин} = tgβ\).

Если продолжить линейный участок прямой ветви
вольт-амперной характеристики
до пересечения с осью абсцисс, то получим точку
\(U_0\) – напряжение отсечки, которое
отделяет начальный пологий участок характеристики,
где динамическое сопротивление
\(R_{дин}\) сравнительно велико от круто
изменяющегося участка, где \(R_{дин}\) мало.

При протекании через диод прямого тока
полупроводниковая структура нагревается,
и если температура превысит при этом предельно
допустимое значение, то произойдет
разрушение кристаллической решетки полупроводника и
диод выйдет из строя. Поэтому
величина прямого тока диода ограничивается предельно
допустимым значением
\(I_{пр.max}\) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном
направлении к диоду, то
сначала обратный ток будет изменяться незначительно,
а затем при определенной величине
\(U_{проб}\) начнется его быстрое увеличение (рис.
1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода.
Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в
зависимости от
концентрации примесей в полупроводнике, от ширины
p–n-перехода и температуры:

• обратимый (электрический пробой);
• необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора
является нерабочим и недопустимым режимом.

Рис. 1.2

Поэтому в паспортных данных диода всегда
указывается предельно допустимое
обратное напряжение \(U_{проб}\) (напряжение
лавинообразования), соответствующее началу
пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение
напряжения составляет обычно
\(0,5\ U_{проб}\) и определяет класс прибора по
напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В
обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют
для получения круто нарастающего
участка ВАХ, когда малому приращению напряжения
\(∆U\) соответствует большое изменение тока
\(ΔI\) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме,
называются
стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при
изменении обратного тока от \(i_{обр. min}\) до
\(i_{обр. max}\) напряжение на диоде остается почти
неизменным, стабильным. Поэтому для
стабилитронов рабочим является участок пробоя на
обратной ветви ВАХ, а напряжение
пробоя (напряжение стабилизации) является одним из
основных параметров.

Лавинно-пролетные диоды (IMPATT диоды)

Лавинно-пролетный диод (IMPATT, IMPact Avalanche Transit Time) – это мощный радиочастотный генератор, работающий на частотах от 3 до 100 ГГц. IMPATT диоды изготавливаются из кремния, арсенида галлия или карбида кремния.

К лавинно-пролетному (IMPATT) диоду прикладывается обратное смещение выше напряжения пробоя. Высокие уровни легирования дают тонкую обедненную область. Полученное высокое электрическое поле быстро ускоряет носители заряда, освобождающие других носителей заряда при столкновениях с кристаллической решеткой. Дырки попадают в область P+. Электроны дрейфуют в сторону N областей. Каскадный эффект создает лавинный ток, который увеличивается, даже когда напряжение на переходе уменьшается. Импульсы тока отстают от пиков напряжения на переходе. Эффект «отрицательного сопротивления» в сочетании с резонансным контуром создает колебания на высоких уровнях мощности (высоких для полупроводников).

Лавинно-пролетный (IMPATT) диод: схема генератора и сильно легированные P и N слои.

Резонансный контур на принципиальной схеме, изображенной на рисунке выше, представляет собой эквивалентную схему секции волновода, в которой установлен лавинно-пролетный (IMPATT) диод. Обратное смещение постоянным напряжением подается через дроссель, который предотвращает потери радиочастотного сигнала в источнике смещения. Это может быть секция волновода, известная как тройник смещения. Маломощные передатчики радаров могут использовать лавинно-пролетный (IMPATT) диод в качестве источника сигнала. Для использования в приемниках эти диоды слишком шумны.

Что обозначает маркировка

Маркировка на диодах

Каждый полупроводниковый диодный элемент обладает определенной маркировкой. Она может отличаться в зависимости от характеристик изделия, его вида, мощности и прочих параметров.

Маркировка, которая нанесена на такого рода компоненты электрических схем, является аббревиатурой и отражает параметры устройства. К примеру, маркировка КД196В расшифровывается следующим образом:

• кремниевый диод, имеющий напряжение пробоя до 0,3 В;
• напряжение 9,6 (цифра 96);
• модель третьей разработки.

Чтобы приобрести необходимый полупроводник, нужно внимательно изучить маркировку и знать, как она расшифровывается.

Приложения

Разобрали радар скоростной пушки . Серый узел, прикрепленный к концу рупорной антенны медного цвета, представляет собой генератор на диоде Ганна, который генерирует микроволны.

Из-за их высокой частоты диоды Ганна в основном используются на сверхвысоких частотах. Они могут производить на этих частотах одну из самых высоких выходных мощностей среди полупроводниковых устройств. Чаще всего их используют в генераторах , но они также используются в микроволновых усилителях для усиления сигналов. Поскольку диод является однопортовым (двухполюсным) устройством, схема усилителя должна отделять исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала для предотвращения связи. Одна общая схема — это усилитель отражения, в котором для разделения сигналов используется циркулятор . Смещения тройник необходимо изолировать ток смещения от высокочастотных колебаний.

Датчики и измерительные приборы

Генераторы на диодах Ганна используются для генерации СВЧ-энергии для: бортового радара предотвращения столкновений , антиблокировочной системы тормозов , датчиков для отслеживания движения транспорта, автомобильных радарных детекторов , систем безопасности пешеходов, регистраторов пройденного расстояния, датчиков движения , замедленного движения. датчики (для обнаружения пешеходов и движения транспорта со скоростью до 85 км / ч (50 миль / ч)), контроллеры сигналов светофора, автоматические открыватели дверей, автоматические ворота для движения, оборудование для контроля пропускной способности, охранная сигнализация и оборудование для обнаружения нарушителей, датчики для предотвращение схода поездов с рельсов, дистанционные датчики вибрации, тахометры скорости вращения, мониторы влажности.

Радиолюбительское использование

Благодаря своему низковольтному режиму работы диоды Ганна могут использоваться в качестве генераторов СВЧ-частоты для очень маломощных (несколько милливатт) микроволновых приемопередатчиков, называемых Ганнплексерами . Впервые они были использованы британскими радиолюбителями в конце 1970-х годов, и многие разработки Gunnplexer были опубликованы в журналах. Обычно они состоят из волновода диаметром около 3 дюймов, в который устанавливается диод. Для управления диодом используется источник постоянного тока низкого напряжения (менее 12 В), который можно соответствующим образом модулировать . Волновод заблокирован на одном конце, образуя резонатор, а другой конец обычно питает рупорную антенну . В волновод вставляется дополнительный « смесительный диод», который часто подключается к модифицированному радиовещательному FM- приемнику, чтобы можно было слушать другие любительские станции. Ганнплексеры чаще всего используются в любительских диапазонах 10 ГГц и 24 ГГц, и иногда сигнализация безопасности 22 ГГц модифицируется, поскольку диод (ы) можно поместить в слегка расстроенный резонатор со слоями меди или алюминиевой фольги на противоположных краях для перехода к лицензированный любительский оркестр. Обычно диод смесителя, если он не поврежден, повторно используется в существующем волноводе, и эти части хорошо известны своей чрезвычайно чувствительной к статике. На большинстве коммерческих устройств эта часть защищена параллельным резистором и другими компонентами, а в некоторых атомных часах Rb используется вариант. Смесительный диод полезен для низкочастотных приложений, даже если диод Ганна ослаблен из-за использования, и некоторые радиолюбители использовали их в сочетании с внешним генератором или диодом Ганна с длиной волны n / 2 для поиска спутников и других приложений.

Радиоастрономия

Генераторы Ганна используются в качестве гетеродинов для радиоастрономических приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Диод Ганна установлен в резонаторе, настроенном так, чтобы резонировать на двойной основной частоте диода. Длина полости изменяется микрометрической регулировкой. Доступны генераторы Ганна, способные генерировать более 50 мВт в 50% диапазоне настройки (одна полоса волновода).

Частота генератора Ганна умножается на диодный умножитель частоты для приложений субмиллиметрового диапазона.

Основные параметры устройств

Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов:

• Наибольшее значение среднего прямого тока,
• Наибольшее допустимое значение обратного напряжения,
• Максимально допустимая частота разности потенциалов при заданном прямом токе.

Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на:

• Приборы малой мощности. У них значение прямого тока до 300 мА,
• Выпрямительные диоды средней мощности. Диапазон изменения прямого тока от 300 мА до 10 А,
• Силовые (большой мощности). Значение более 10 А.

Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них:

• Силовые приборы средней мощности. Их технические параметры позволяют работать с напряжением до 1,3 килоВольт,
• Силовые, большой мощности, могущие пропускать ток до 400 А. Это высоковольтные устройства. Существуют разные корпуса исполнения силовых диодов. Наиболее распространены штыревой и таблеточный вид.