ТЕМА 2.3 Напівпровідникові діоди

МЕТА:

- навчальна: ознайомити студентів із напівпровідниковими діодами;

- розвиваюча: розширити світогляд студентів, поглибити вивчене для систематизації та узагальнення фундаментальних знань щодо основних параметрів та характеристик НП діодів; розвивати вміння самостійно застосовувати знання до вирішення практичних завдань;

- виховна: виховувати увагу, логічне мислення, впевненість у вирішенні практичних завдань:

ОБЛАДНАННЯ: дошка, схеми

ПЛАН

1 Випрямні діоди.

2 Кремнієві стабілітрони.

3 Високочастотні і імпульсні діоди. Діод Шотткі.

4 Варикапи.

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ

ВИПРЯМНІ ДІОДИ

Напівпровідникові діоди – це напівпровідникові (НП) прилади, що мають один р-n перехід та 2 виводи.

В залежності від способу отримання р-n переходу НП діоди діляться на 2 типи: точкові та площинні.

Усі НП діоди виготовляють з монокристалів.

Діоди класифікують за матеріалом, за призначенням, за параметрами (все це є в маркировці), за способом виготовлення р-n переходу.

Матеріал – германій, кремній, арсенід галію.

Випрямні площинні низькочастотні діоди призначені для випрямлення змінного струму частотою до 50 ГЦ (перетворення змінного струму в пульсуючий-постійний).

Методи отримання – сплавлення та дифузія.

Основні матеріали – кремній (Si) та германій (Ge).

Принцип дії – однобічна провідність - проводити струм в одному напрямі.

Структура p-n- переходу - площина.

Вони діляться на діоди малої (300 мА), середньої (300 мА-10 А); великої потужності (більш 10 А).

Основна характеристика – ВАХ (рис.16).

Рисунок 16 – Вольт-амперна характеристика випрямного діода

Порівняємо Ge та Si діоди:

- І_{Si зв} ‹‹ І_{Ge зв} - у багато разів;

- допустима зворотна напруга кремнієвих діодів може досягати 1000…1500 В,

а германієвих 100 – 400 В;

- робоча температура Si ( -60 С… + 150⁰С), Ge – (-60 С… + 85⁰С).

При температурах вище 85 °С різко збільшується власна провідність германію, що приводить до неприпустимого зростання зворотного струму.

Тому частіше використовують Si діоди. Ge діоди кращі при малих напругах (до 1 В) (див. ВАХ).

Найпростіша схема включення (випрямлення напруги) на рис.17.

Рисунок 17 – Схема вмикання випрямного діода

Основні параметри:

- постійний прямий струм І_пр.

- постійна пряма напруга U_пр – яка нормується при певному прямому струмі І_пр.

- максимально допустимий прямий струм діода І_{пр max}.

- максимально допустима зворотна напруга діода U_{зв max}.

- зворотний струм діода І_зв, який нормується при певній зворотній напрузі U_зв.

- максимально допустимий зворотний струм діода І_{зв max}.

- диференціальний опір діода r_диф (при заданому режимі роботи).

Для отримання більш високої зворотної напруги діоди включають послідовно (рис.18,б). При такому з'єднанні напруга розподіляється між усіма діодами. Для вирівнювання зворотних опорів діодів паралельно включенні R_дод (100 кОм). В даний час випускають «діодні стовпи», в яких з'єднані послідовно від 5 до 50 діодів. Зворотна напруга U_зв таких стовпів лежить в межах 2-40 кВ.

Рисунок 18 – Паралельне (а) та послідовне (б) вмикання випрямнх діодів

Паралельне з'єднання використовується для збільшення допустимого прямого струму (рис.18.а) – силові діодні збірки. Для вирівнювання прямих опорів діодів послідовно с діодами включають омічні додаткові резистори R_ш - декілька Ом.

Випрямні мости на кремнієвих діодах використовуються в однофазних і трьохфазних мостових випрямлячах.

КРЕМНІЄВІ СТАБІЛІТРОНИ

Стабілітрон – це напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою майже не залежить від сили струму.

Принцип дії стабілітрону – електричний пробій p-n переходу.

Основна характеристика – вольт-амперна характеристика (ВАХ) (рис.19).

Робоча ділянка (АБ ) - пряма майже паралельна осі струмів.

Рисунок 19 – ВАХ стабілітрона

Робочий режим – при зворотному включенні (режим електричного пробою).

Матеріал - кремній, який має порівняно з германієм більшу ширину забороненої зони, а значить значно менший зворотний струм, тому тепловий пробій настає при значно більших зворотних напругах.

Застосовуються стабілітрони для стабілізації напруги, як обмежувач постійної та імпульсної напруги, як поділювач напруги, як джерело еталонної напруги.

Основні параметри:

- напруга стабілізації U_ст – падіння напруги на стабілітроні в області стабілізації при номінальному значенні струму. U_ст відповідає точці на середині робочої ділянці ВАХ , U_ст = (1-1000)В;

- мінімальний струм стабілізації І_min – найменше значення струму крізь стабілітрон, при якому виникає стійкий електричний пробій (точка А на ВАХ), (одиниці мА);

- максимальний струм стабілізації І_max – найбільший струм крізь стабілітрон, при якому потужність, що розсіюється на стабілітроні, не перевищує допустимого значення (точка Б на ВАХ), (0,02 – 1,5)А;

- диференційний опір R_д – характеризує зміну величини напруги на приладі зі змінами струму крізь нього, тобто, характеризує ступінь стабільності напруги стабілізації при зміні струму пробою

                               r_ст = ∆U_ст /∆І_ст; (від одиниць до десятків Ом)

Чим менше опір r_ст , тим краще стабілізація. 

- температурний коефіцієнт напруги стабілізації α,

                               α = ∆U_ст /U_ст ∙ ∆T (1/град);

- максимальна потужність розсіювання Р_max – найбільша потужність, яка виділяється в p-n переході, при якій ще не виникає теплового пробою.

На рис.20 наведена схема включення стабілітрона.                     

Рисунок 20 - Простіша схема включення

Схема являє собою дільник напруги, який містить резистор R_б і стабілітрон VD.

Найбільш частіше стабілітрон працює при R_Н = const , напруга джерела живлення Е нестабільна.

Щоб отримати стабільну напругу більш низьку, чим на стабілітроні, то паралельно з навантаженням включають додатковий резистор, опір якого розраховують за законом Ома (рис.21,а).

Для збільшення U_ст послідовно включають декілька стабілітронів, розрахованих на однакові струми (рис.21,б).

Рисунок 21 – Схеми включення стабілітрона для зменшення (а) та збільшення U_ст

Пряма гілка ВАХ кремнієвих p-n переходів має різкий злам і на на ділянці с-d напруга також слабо залежить від сили струму.

Стабістори – це НП діоди, призначені для роботи в стабілізаторах напруги при прямому включені p-n- переходу (використовуються для стабілізації малих напруг (0,5-2,5)В) , струм стабісторів звичайно від 1мА до декількох десятків мА.   

Матеріал – кремній, напруга стабілізації в середньому – 0,7 В.

Особливість стабісторів - від'ємний температурний коефіцієнт напруги, тобто напруга стабілізації при збільшенні температури зменшується. Тому стабістори використовують в якості термокомпенсуючих елементів, з'єднуя їх послідовно із звичайними стабілітронами, які мають позитивний температурний коефіцієнт напруги.