Лекция

P-NпереходПолупроводниковые

диоды.Типыдиодов.

1

Лекция

На основе специальных технологий соединения примесных полупроводников n и p типов можно создать p-n переход, являющийся основой многих электронных приборов. В этом случае по законам диффузии должно начаться

движение электронов из области n, где их концентрация велика, в область p, где их концентрация мала.

Рис.1. а) Схематическаяструктураp-nпереходавравновесномсостоянии,б)энергетическаядиаграммаp-nпереходавравновесномсостоянии.

а) б)

2

Лекция

Процесс диффузии приводит к тому, что в зоне p-n перехода со стороны n-

полупроводника образуется некоторое количество некомпенсированных электронами

положительных ионов примеси, а со стороны p-полупроводника некоторое

количество некомпенсированных дырками отрицательных ионов примеси.

Некомпенсированные заряды положительных и отрицательных ионов приведут к

возникновению электрического поля, которое вызовет обратное диффузионному

движение электронов и дырок. Возникнет дрейфовый ток, направленный навстречу

диффузионному току.

При условии равновесия, т.е. в случае, если к p-n переходу не приложено

внешнее электрическое поле, дрейфовый ток точно равен диффузионному.

iдрейф = iдиф ,

где iдрейф – дрейфовый ток, iдиф. –диффузионный ток.

3

Из-за несовпадения уровня Ферми в полупроводниках p и n типов возникает

перепад энергетических уровней, называемый потенциальным барьером.

Потенциальный барьер уравновешивает диффузионный и дрейфовый токи в p-n

переходе, находящемся в равновесном состоянии.

Лекция

Рисунок2-Потенциальныйбарьервзонеперехода.

Толщинаp-nперехода

Контактнаяразностьпотенциалов

4

Лекция

При присоединении к p-n переходу источника ЭДС ток либо потечёт

через p-n переход, либо ток будет практически отсутствовать.

Всё зависит от полярности приложенного напряжения (рис.3).

Рис.3. Переход, смещенный в прямом а) и в обратном б) направлении.

а) б)

5

Изменение прямого и обратного токов через p-n переход с ростом

температуры приведены на рис.4.

Температурный потенциал φТ можно определить по следующей формуле:

Рисунок 4 - ВАХ p-n перехода и ее

изменение от температуры.

Лекция

k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, q – заряд электрона.

,

6

Лекция

На основе p-n переходов изготовляют различные типы диодов.

Полупроводниковый диод – прибор, имеющий два вывода, присое-деинённых к

p-n переходу.

Рис.5. ВАХ идеального p-n перехода и реального выпрямительного диода.

Вып р я м и т е л ь ны е д и о ды

предназначены для выпрямления

переменного тока, т.е. превращения

переменного тока в постоянный.

Через выпрямительные диоды

протекают достаточно большие токи,

поэтому p-n переходы в таких диодах

имеют сравнительно большую

площадь, что сказывается на отличие

вольт-амперной характеристики (ВАХ)

данного типа диодов от идеальной

(рис.5). 7

Типы полупроводниковых диодов универсальный; выпрямительный диод — достаточно мощный, позволяющий получать из переменного тока постоянный для питания нагрузки; импульсный диод; лавинно-пролётный диод; туннельный диод — диод с участком, обладающим отрицательным дифференциальным сопротивлением; стабилитрон — диод работающий на напряжении электрического пробоя в обратном направлении; варикап — диод с управляемой напряжением ёмкостью ЭДП (Электронно-дырочный переход) в обратном включении; Приборы с иными разновидностями полупроводниковых структур: диод Ганна — полупроводниковый прибор без p—n-перехода, использующий эффект доменной неустойчивости; диод Шоттки — прибор со структурой металл — полупроводник, с уменьшенным падением напряжения в прямом направлении; Фотоэлектрические приборы: фотодиод — диод, преобразующий свет в разность потенциалов; светодиод — диод, излучающий свет. динистор (диод Шокли), неуправляемый тиристор, имеющий слоистую p—n—p—n-структуру

8

Диоды: а) общее обозначение, б) симметричный, в) туннельный, г) обращённый, д) диод Шоттки; е, ж) стабилитроны; з) варикап; и) термодиод; к) выпрямительный столбик; л, м) диодные сборки; н, о) выпрямительный мост.

9

Расшифровка названий диода

10

•  UПР – напряжение, которое создаётся на диоде при смещении его в прямом направлении и протекании через него рабочих токов. Обычно это напряжение для большинства кремниевых диодов равно примерно 0,6÷0,8 В;

•  IПР МАКС – максимально допустимый ток, при котором диод ещё не теряет свои выпрямительные свойства из-за теплового пробоя p-n перехода;

•  IОБР – максимальный ток диода, смещённого в обратном направлении, при обратных напряжениях не превышающих UОБР МАКС;

•  UОБР МАКС – максимально допустимое обратное напряжение на диоде, при котором p-n переход ещё не пробивается из-за чрезмерно высокой напряжённости поля, возникающей в p-n переходе.

. +

Рисунок 6 - Изображение полупроводникового диода.

Лекция

Основные характеристики выпрямительных диодов:

11

На основе выпрямительных диодов реализуются выпрямительные устройства.

Простейшее выпрямительное устройство, выполненное на одном диоде, приведено

на рис.7 (U гмакс – максимальное значение синусоидального напряжения, Uпр – прямое

падение напряжения на диоде).

а)

Рисунок 7. Включение выпрямительного диода и диаграммы на выходе устройства.

а) с резистивной нагрузкой б) с конденсаторным фильтром

б)

Лекция

12

Применение диодов

Полупроводниковые диоды являются нелинейными элементами. Поэтому они находят широкое применение в самых разнообразных устройствах нелинейной обработки аналоговых сигналов: •  детекторы/демодуляторы, смесители и преобразователи частоты,

•  логарифматоры, •  антилогарифматоры, •  квадраторы, •  экстрематоры В таких устройствах свойства диодов могут использоваться как непосредственно при прохождении основного сигнала через диод, так и косвенно, например, при включении диода в цепь обратной связи усилителя.

13

На основе p-n перехода изготовляются стабилитроны.

В стабилитронах используется управляемый пробой p-n перехода при достаточно больших приложенных к нему обратных напряжениях.

ВАХ стабилитрона при обратных напряжениях приведена на рисунке 8.

Рисунок 8 Включение стабилитрона

а) и стабистора б).

а) б)

Лекция 2

14

Напряжение стабилизации Uст - напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации. Допускаемый разброс напряжения стабилизации от номинального ΔUст.ном. - максимально допустимое отклонение напряжения стабилизации от номинального для стабилитронов данного типа. Дифференциальное сопротивление стабилитрона rст - отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот. Температурный коэффициент напряжения стабилизации αст - отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Полная емкость стабилитрона C - емкость между выводами стабилитрона при заданном напряжении смещения.

Основные параметры стабилитронов

15

На основе p-n перехода изготовляются и варикапы – приборы, которые

выполняют функцию конденсатора с ёмкостью, управляемой напряжением.

Изменение заряда положительных и отрицательных ионов с приложением

обратного напряжения происходит одновременно с расширением зоны p-n

перехода. Это можно интерпретировать, как удаление друг от друга пластин

конденсатора, à ёмкость p-n перехода должна уменьшаться с ростом

приложенного напряжения.

Барьерная ёмкость p-n перехода убывает по закону

где Сб – барьерная ёмкость перехода, Со– барьерная ёмкость перехода при нулевом напряжении на переходе, Uобр – напряжение, приложенное к переходу, А – коэффициент пропорциональности, зависящий от технологии изготовления и конструкции варикапа.

Лекция 2

, ,

16

Емкость варикапа Cн - емкость, которая измеряется между выводами при заданном обратном напряжении. Коэффициент перекрытия по емкости Kc - отношение емкостей варикапа при двух заданных обратных напряжениях. Добротность варикапа Q - отношение реактивного сопротивления на данной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданной емкости или обратном напряжении. Постоянный обратный ток варикапа Iобр - постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

Основные параметры варикапов

17

Зависимость СБ=f(UОБР), а также пример схемы включения варикапа в

резонансном контуре с расчетной формулой приведена на рисунке 9.

Рисунок 9. Зависимость барьерной емкости варикапа, а также пример

расчетной схемы включения (Сб – барьерная ёмкость p-n перехода,

управляемая напряжением Еупр, С0 паразитная ёмкость варикапа и

конструкции LC-контура).

Лекция 2

18

Ответить на контрольные вопросы: 1.  Что такое p-n переход? 2.  Что называется и чем вызывается диффузный ток? 3.  Что называется и чем вызывается дрейфовый ток? 4.  Какое соотношение между диффузным и дрейфовым токами в p-n переходе,

находящемся в равновесном состоянии? 5.  Нарисуйте энергетическую диаграмму p-n перехода в равновесном состоянии. 6.  Что такое потенциальный барьер и чем он определяется? 7.  Почему при одной полярности приложенного напряжения к p-n переходу через него

пойдёт ток, а при другой полярности ток будет практически отсутствовать? 8.  В каком случае считается, что p-n переход смещён в прямом направлении, в каком в

обратном? 9.  Что такое основные и неосновные носители заряда? 10.  За счёт каких носителей заряда возникает ток через p-n переход, смещённый в

прямом направлении? 11.  За счёт каких носителей заряда возникает ток через p-n переход, смещённый в

обратном направлении? 12.  Как зависит ток через p-n переход от приложенного к нему напряжения? Напишите

формулу и нарисуйте вольтамперную характеристику. 13.  Чем определяется температурный потенциал? 14.  Как и почему изменяется обратный ток p-n перехода с изменением температуры? 15.  Как и почему изменяется прямой ток p-n перехода с изменением температуры?

19

Ответить на контрольные вопросы:

16.  Что такое диод?

17.  С какой целью используют выпрямительные диоды?

18.  Чем отличаются вольтамперные характеристики идеальных p-n переходов и

реальных диодов?

19.  Какими параметрами характеризуются выпрямительные диоды?

20.  С какой целью на выходе выпрямительного устройства включают конденсатор?

21.  Как будет заряжаться и разряжаться конденсатор, включённый на выходе

выпрямительного устройства, при входном синусоидальном напряжении.

22.  Что такое стабилитрон?

23.  Что такое управляемый лавинный пробой p-n перехода?

24.  Нарисуйте вольтамперную характеристику стабилитрона.

25.  Поясните принцип работы стабилизатора напряжения, выполненного на

стабилитроне.

26.  Что такое варикап?

27.  Нарисуйте и поясните зависимость барьерной ёмкости p-n перехода от

приложенного к нему напряжения.

28.  Как можно использовать варикап для изменения частоты резонансного LC-контура?

20