...

1. Загальні положення

Напівпровідниковий діод являє собою електроперетворюючий напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом і двома виводами, у якому використовуються властивості р-n переходу. Напівпровідникові діоди класифікуються:
- за конструктивно-технологічними особливостями: площинні, точкові, мікросплавні;
- за потужністю: малопотужні, середньої потужності, потужні;
- за частотою: низькочастотні, високочастотні, надвисокочастотні;
- за призначенням: випрямні діоди, імпульсні діоди, стабілітрони, варикапи, тунельні діоди й ін.;
- за типом матеріалу виготовлення: германієві, кремнієві та ін.

У точковому діоді використовується пластинка германія або кремнію з електропровідністю n-типу (рис. 2.1, а). Із пластинкою стикається голка з нанесеною на неї акцепторною домішкою, яка дифундує в основний напівпровідник, створюючи область із іншим типом електропровідності. Таким чином, навколо голки утворюється р-n перехід напівсферичної форми дуже малої площі. За рахунок цього точкові діоди можуть працювати на високих частотах, однак, розраховані на невеликий струм (порядку десятків міліампер).

Рис. 2.1. Устрій діодів: а) точкових; б) площинних

У площинних діодах р-n перехід утворюється двома напівпровідниками з різними типами електропровідності (рис. 2.1, б). На пластину германія або кремнію n-типу накладається матеріал акцепторної домішки й у вакуумній печі при високій температурі (порядку 500 °С) відбувається дифузія акцепторної домішки в пластину, у результаті чого утворюється область провідності p-типу й p-n перехід великої площини. Більша площина p-n переходу дозволяє пропускати більші прямі струми, однак за рахунок великої бар'єрної ємності площинні діоди працюють тільки на низькій частоті.

Умовні позначення найбільш широко використовуваних типів напівпровідникових діодів наведені на рис. 2.2. Вивід від p-області називається анодом, а вивід від n-області – катодом (рис. 2.2, а).

Рис. 2.2. Умовні графічні позначення діодів: а) випрямний діод; б) стабілітрон; в) варикап; г) діод Шотткі

2. Випрямні діоди

Випрямнийдіод – це напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний. В основі роботи випрямних діодів лежить властивість однобічної провідності р-n переходу, яка полягає в тому, що останній добре проводить струм (має малий опір) при прямому включенні й практично не проводить струм (має дуже високий опір) при зворотному включенні.

Основні параметри випрямних напівпровідникових діодів:
- прямий струм I_пр, який нормується при певній прямій напрузі (звичайно U_пр = 1…2 В);
- максимально припустимий прямий струм I_пр.mах;
- максимально припустима зворотна напруга діода U_зв.mах, при якій діод ще може нормально працювати тривалий час (для германієвих діодів вона досягає 100…400 В, а кремнієвих − 1000…1500 В);
- постійний зворотній струм Iзв, що протікає через діод при зворотній напрузі, що дорівнює U_зв.mах;
- середній випрямлений струм I_ср, який може довгостроково проходити через діод при припустимій температурі його нагрівання;
- максимально припустима потужність P_mах, що розсіюється діодом, при якій забезпечується задана надійність діода.

Вибір випрямного діода по довідковій літературі відбувається за струмом I_пр.mах і напругою U_зв.mах.

Падіння напруги в прямому включенні в германієвих діодах становить U_пр = 0,3…0,6 В, у кремнієвих − U_пр = 0,8…1,2 В. Найбільш часто застосовуються останні. Для технічних розрахунків, якщо особливо не обумовлюється, приймається пряма напруга на діоді U_пр = 1 В.

Випрямні діоди застосовуються для перетворення змінного струму в постійний, використовуються в схемах керування й комутації для обмеження небажаних викидів напруг, у якості елементів електричної розв'язки ланцюгів тощо.

У ряді потужних перетворювальних приладів вимоги до середнього значення прямого струму I_ср або зворотної напруги U_зв.mах перевищують номінальні значення параметрів існуючих діодів. У цих випадках застосовується паралельне або послідовне з'єднання діодів.

Паралельне згідне з'єднання діодів (рис. 2.3, а) застосовують у тому випадку, коли потрібно одержати прямий струм, що перевищує граничний припустимий струм одного діода. Струм ланцюга при паралельному включенні діодів

I = I_пр1 + I_пр2.

Рис. 2.3. Паралельне включення діодів

Внаслідок розкиду параметрів навіть однотипних діодів їх прямі гілки ВАХ мають відмінності. Із цієї причини паралельно включені діоди можуть бути навантажені по-різному, у деяких гілках прямий струм може перевищувати граничний струм одного з діодів, а це спровокує тепловий пробій усіх діодів. Для вирівнювання струмів у гілках послідовно з діодами включають зрівняльні резистори з опором в одиниці Ом.

Зустрічно-паралельне з'єднання діодів (рис. 2.3, б) застосовують для двостороннього обмеження вхідного сигналу за рівнем близько 1 В, наприклад, для захисту входу підсилювача з великим коефіцієнтом підсилення.

Послідовне з'єднання (рис. 2.4) діодів застосовують для збільшення сумарної припустимої зворотної напруги. Через відмінність зворотних гілок ВАХ зворотна напруга, що прикладена до діодів може розподілятися нерівномірно. До діода, у якого опір зворотного включення більше, буде прикладена й більша напруга, яка може виявитися вище граничного припустимого значення, що приведе до пробою діода й обриву кола.

Рис. 2.4. Послідовне включення діодів

Зворотна напруга кола при послідовному включенні діодів

U_зв = U_зв1 + U_зв2.

Для того, щоб зворотна напруга розподілялася рівномірно між діодами незалежно від їхніх зворотних опорів, застосовують шунтування діодів резисторами порядку 100 кОм на кожні 100 В – цього заходу досить для низькочастотних ланцюгів. У високочастотних ланцюгах для усунення імпульсних перенапруг кожний діод додатково шунтується конденсатором, ємність якого приймається на рівні паспортної ємності p-n переходу.

3. Стабілітрони

Напівпровідниковий стабілітрон (діод Зеннера) – це напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою слабо залежить від струму і який використовується для стабілізації напруги (підтримки незмінного рівня). У напівпровідникових стабілітронах використовується властивість незначної зміни зворотної напруги на р-n переході при електричному пробої. Це пов'язане з тим, що невелике збільшення напруги на р-n переході в режимі електричного пробою викликає більш інтенсивну генерацію носіїв заряду й значне збільшення зворотного струму.

Низьковольтні стабілітрони виготовляють на основі матеріалу з малим опором, в них застосовується явище тунельного електричного пробою. Високовольтні стабілітрони виготовляють на основі матеріалу з високим опором – їх принцип дії пов'язаний з лавинним електричним пробоєм.

Оскільки ділянка електричного пробою відповідає прикладеній до p-n переходу зворотній напрузі, то нормальне включення стабілітрона – зворотне й використовується його зворотна гілка ВАХ (рис. 2.5). Пряма гілка ВАХ стабілітрона аналогічна ВАХ випрямного діода.

Рис. 2.5. Вольт-амперна характеристика стабілітрона

Основні параметри стабілітронів:
- напруга стабілізації U_ст (опорна напруга);
- мінімальний I_ст.mіn і максимальний I_ст.mах струми стабілізації;
- максимальна припустима потужність Р_mах;
- диференційний опір на ділянці стабілізації (крутість ВАХ в області електричного пробою) r_д.

Вибір стабілітрона по довідковій літературі проводиться за напругою стабілізації U_ст і струмами I_ст.mіn , I_ст.mах.

Стабілітрони випускаються на цілий ряд значень напруги – від 3,3 до 200 В, із припустимою потужністю розсіювання від часток Вт до 50 Вт. Їх використовують для стабілізації напруг джерел живлення, а також для фіксації рівнів напруг у різних схемах.

Стабілітрони допускають послідовне включення (рис. 2.6, а), при цьому результуюча напруга стабілізації дорівнює сумі напруг стабілітронів:

U_ст = U_ст1 + U_ст2.

При необхідності забезпечити стабілізацію двуполярної або змінної напруги стабілітрони включають послідовно зустрічно (рис. 2.6, б). Сумарна ВАХ кола в цьому випадку симетрична відносно початку координат. На цьому принципі випускаються двосторонні стабілітрони (рис. 2.6, в).

Рис. 2.6. Включення стабілітронів

Паралельне з'єднання стабілітронів неприпустиме, тому що через розкид характеристик і параметрів із усіх паралельно з'єднаних стабілітронів струм буде протікати тільки в тому, який має найменшу опорну напругу Uст, що спричинить перегрів стабілітрона й подальший його вихід з ладу.

4. Варикапи

У закритому стані p-n перехід має високий опір і виконує роль діелектрика. По обидві його сторони розташовано два різнойменні об'ємні заряди +q_зв і –q_зв, створені іонізованими атомами донорної та акцепторної домішок, внаслідок чого p-n перехід має ємність. Цю ємність називають бар'єрною ємністю.

Варикап – це напівпровідниковий діод, у якому застосовується залежність бар'єрної ємності від величини зворотної напруги і призначений для застосування як елемента з електрично керованою ємністю. Ця залежність описується вольт-фарадною характеристикою (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Вольт-фарадна характеристика варикапа

Основні параметри варикапів:
- номінальна ємність С_в – ємність при заданій зворотній напрузі;
- коефіцієнт перекриття по ємності – відношення ємностей варикапа при двох заданих значеннях зворотних напруг

k_C = C_max + / + C_min.

Варикапи широко застосовуються в різних схемах для регулювання частоти коливального LC-котура, у параметричних підсилювачах.

5. Контрольні питання

1. Яке призначення напівпровідникового випрямного діода?
2. Яке призначення напівпровідникового стабілітрона?
3. Яке призначення варикапа?
4. Приведіть умовне графічне позначення випрямного діода.
5. Приведіть умовне графічне позначення стабілітрона.
6. Приведіть умовне графічне позначення тунельного діода.
7. Приведіть умовне графічне позначення оберненого діода.
8. Приведіть умовне графічне позначення варикапа.
9. Приведіть ВАХ випрямного діода.
10. Приведіть ВАХ стабілітрона.
11. Приведіть вольт-фарадну характеристику варикапа.
12. Приведіть будову площинного напівпровідникового діода.
13. Приведіть будову точкового напівпровідникового діода.
14. Назвіть основні параметри випрямного діода.
15. Назвіть основні параметри стабілітрона.
16. Назвіть основні параметри варикапа.
17. В якому випадку випрямні діоди вмикаються послідовно?
18. В якому випадку випрямні діоди вмикаються паралельно?
19. В якому випадку стабілітрони вмикаються послідовно?

НАГОРУ