Устройство и принцип действия диодов

ХАРАКТЕРИСТИКИ. ПРИМЕНЕНИЕ

ДИОДЫ. УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ, РАБОЧАЯ СХЕМА.

Диод – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на n-p – переходе. Диод состоит из корпуса и двух омических контактов. Внутрь корпуса помещен полупроводниковый кристаллик. Контакты называются «база» и «эмиттер». По конструкции диоды подразделяют на точечные и плоскостные. В точечных диодах n-р-переход образуется в месте контакта пластинки полупроводника n-типа с металлической иглой. Из-за малой площади контакта 0.5…1.5 мм² прямой ток и емкость таких диодов невелики, что позволяет применять их на высоких частотах. В плоскостных диодах n-p–переход образуется двумя полупроводниками с различным типом электропроводности. Площадь перехода лежит в пределах от сотых долей мм² до нескольких мм^2.

По назначению диоды делятся на выпрямительные, стабилитроны, импульсные и т. д

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток.

Характеристики диодов зависят от свойств полупроводниковых

материалов, размеров, способа изготовления. Обозначения диодов в схемах приведены на рисунке 5.3, а. Слева на право: эмиттер – база.

а) б)

Рисунок 5.3. Схемотехническое обозначение диода и рабочая схема

Рассмотрим рабочую схему диода (рис.5.3,б). Когда на эмиттер диода подают «плюс», а на базу – «минус», диод открывается (n-p – переход смещен в прямом направлении), и че-рез него проходит ток, который выделяется на сопротивлении нагрузки . Когда напряжение меняет полярность, диод закрыт (n-p – переход смещен в обратном направлении). Через диод проте-кает очень маленький обратный ток , падение напряжения на нагрузке близко к нулю.

Вольтамперной характеристикой называется зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного напряжения . Вольтамперная характеристика диода приведе-на на рисунке 5.4. Из рисунка видно, что характеристика нели-нейная. В ней можно выделить 4 участка. На прямой ветви ВАХ, когда внешнее напряжение невелико (участок1), потенциальный барьер n -p – перехода еще достаточно велик и почти не пропускает основные носители. мало. На участке 2 под действием внешнего напряжения потенциальный барьер снижается, через диод протекает прямой ток, величина которого определяется только сопротивлением эмиттера, базы и омических контактов диода. Аналитическая форма записи вольтамперной характеристики:

(5.2)

где - приложенное напряжение;

- ток через диод;

- тепловой ток, создаваемый не основными носителями заряда;

- тепловой потенциал в вольтах;

- температура в К;

- постоянная Больцмана;

- элементарный заряд.

- сопротивление эмиттера, базы и омических контактов диода.

На участке 3 обратной ветви ВАХ при небольших обратных напряжениях наблюдается некоторое увеличение обратного тока за счет уменьшения диффузионной составляющей тока. С ростом величины потенциального барьера диффузионный ток становится равным нулю, обратный ток будет определяться величиной дрейфового тока и будет оставаться постоянным. Кроме того, необходимо учитывать токи утечки и термогенерации, возникающие в реальном диоде.

Ток утечки - это поверхностный ток, обусловленный оксид-ными пленками на поверхности монокристалла полупроводника.

Ток термогенерации это тепловой ток не основных носителей в теле n – р - перехода.

При увеличении обратного напряжения и превышении им некоторого значения обратный ток резко возрастает (участок 4 ВАХ). Такое явление называется пробоем p-n-перехода, а обратное напряжение, при котором происходит резкое возрастание обратного тока - напряжением пробоя. Напряжение пробоя р-n- перехода лежит в пределах от единиц до сотен вольт. Различают четыре вида пробоя: лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой. Лавинный пробой возникает, когда под действием электричес-кого поля не основные носители приобретают энергию достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. электронами энергии , где - потенциал ионизации. В переходе начинается лавинообразное размножение электронов и дырок, что приводит к резкому возрастанию обратного тока при почти неизмен-ном напряжении. Лавинный пробой развивается в относительно широких переходах с малой концентрацией примесей. С ростом температуры условия возникновения лавинного пробоя ухудша-ются.

Туннельный пробой обусловлен непосредственным отрывом валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Развивается туннельный пробой в узких n-р-переходах, где имеется высокая напряженность электрического поля. Условия развития туннельного пробоя улучшаются с ростом температуры.

Поверхностный пробой развивается при протекании по поверхности n-p - перехода токов утечки, вызываемых дефектами и загрязнением внешней поверхности n-p -структуры.

Тепловой пробой возникает за счет интенсивного размножения носителей заряда в локальных областях n-p - перехода с высоким сопротивлением при недопустимом повышении температуры. Рост числа носителей заряда вызывает увеличение обратного тока и еще больший разогрев. Процесс заканчивается нарушением структуры n-p -перехода и выходом прибора из строя. Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми, т.е. при снижении напряжения свойства p-n-перехода восстанавливаются, если обратный ток не достиг предела, выше которого развивается тепловой пробой.

Характерной особенностью полупроводниковых приборов является зависимость их характеристик и параметров от температуры. С ростом температуры концентрация носителей заряда

Рисунок 5.4. Вольтамперная характеристика диода и влияние на нее температуры.

увеличивается, что приводит к росту как , так и

Параметрами диода являются .

Прямое сопротивление диода это сопротивление диода, у которого n-р- переход смещен в прямом направлении. рассчитывается по формуле:

, (5.3)

где и значения напряжения и тока в рабочей точке на линейном участке вольтамперной характеристики.

Обратное сопротивление диода это сопротивление диода, у которого n-р - переход смещен в обратном направлении. рассчитывается по формуле:

, (5.4)

где и значения напряжения и тока на обратной ветви вольтамперной характеристики диода.

рассчитывается в рабочей точке на линейном участке прямой ветви вольтамперной характеристики:

(5.5)

Дата добавления: 2015-05-06