Полупроводниковые приборы с одним выпрямляющим переходом

Промышленность выпускает целую гамму полупроводниковых приборов, которые имеют один переход, обладающий в той или иной степени выпрямляющим свойством. Данные приборы относятся к классу диодов, однако они имеют свои особенности, определяющие их свойства и области применения.

Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Выпрямительные диоды — предназначены для преобразования переменного тока в пульсирующий. В данных приборах используется вентильное свойство p-n перехода. В качестве основных параметров выпрямительных диодов выступают:

· максимально допустимый прямой ток I_ПРmax;

· прямое напряжение на диоде U_ПР при заданном значении прямого тока, обычно при I_ПРmax;

· максимально допустимое обратное напряжение U_ОБРmax, обычно оно существенно меньше напряжения пробоя;

· обратный ток I_ОБР при заданном обратном напряжении, обычно при U_ОБРmax;

· диапазон рабочих температур;

· рабочая частота, при которой обеспечиваются заданные напряжения и токи.

Выпрямительные диоды обычно предназначены для выпрямления токов невысоких, не более 1 кГц, частот. При превышении рабочей частоты потери в диоде резко возрастают и он нагревается.

УГО выпрямительного диода совпадает с общим обозначением диода.

Если на выпрямительный диод подать переменное напряжение (рис. 8,а), то в силу вентильного свойства диода напряжение на нагрузке будет пульсирующим (рис. 8,б), т. е. содержащим постоянную составляющую.

а)	б)
Рис. 8

Импульсные диоды — это диоды, предназначенные для работы в импульсных режимах. В этих режимах через промежутки времени, равные долям микросекунды, диоды переключаются с прямого напряжения на обратное. При этом каждое новое состояние диода не может устанавливаться мгновенно, поэтому существенное значение здесь приобретают переходные процессы.

Рассмотрим работу диода, у которого область p-типа является базой, а область n-типа — эмиттером, при воздействии на диод прямоугольного импульса (рис. 9). При прямом включении происходит инжекция неосновных носителей из эмиттера в базу, однако данный процесс протекает не мгновенно. Кроме того, процесс диффундирования неосновных носителей от границы p-n перехода вглубь базы также требует времени. Следовательно, при подаче на диод прямого напряжения ток через диод устанавливается не сразу, а в области базы происходит накопление неосновных носителей, в данном случае — электронов, что ведет к накоплению в этой области заряда.

Рис. 9	л4р2

Как только напряжение изменится на обратное, обратный ток в первый момент будет значительным, а обратное сопротивление резко уменьшится. Это объясняется тем, что накопленные в базе носители заряда (электроны) начнут перемещаться в сторону p-n перехода и, таким образом, образуют импульс обратного тока. Этот импульс будет тем больше, чем больше носителей зарядов накопилось в базе. Заряды, накопленные в базе, втягиваясь полем p-n перехода, переходят в эмиттер, часть их рекомбинирует в базе с дырками, и в течение определенного времени обратный ток достигает установившегося значения. Иными словами, при переключении диода на обратное направление сначала происходит резкое уменьшение сопротивления диода, затем сопротивление принимает установившееся значение.

Процесс уменьшения заряда в базе называется рассасыванием. К току рассасывания добавляется зарядный ток барьерной емкости p-n перехода, возникающий под действием обратного напряжения, увеличивая тем самым суммарный импульс обратного тока.

Время, за которое обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося, называется временем восстановления обратного сопротивления (или тока) диода t_{ВОСТ.ОБР}. Это важный параметр импульсных диодов — чем он меньше, тем диод лучше. Для импульсных диодов t_{ВОСТ.ОБР} обычно меньше десятых долей микросекунды. Время, за которое прямой ток изменяется от минимального значения до установившегося, называется временем восстановления прямого тока диода t_{ВОСТ.ПР}. Это параметр существенно меньше, чем t_{ВОСТ.ОБР}. УГО импульсного диода совпадает с общим обозначением диода.

Рис. 10	л2р1

Идеальными импульсными характеристиками обладают диоды Шотки. Они выполняются на основе контакта металл-полупроводник (рис. 10).

В зависимости от подбора материалов пары металл-полупроводник, их контакт может быть невыпрямляющим (омическим) или выпрямляющим, обладающим вентильным свойством. В последнем случае (для полупроводника n-типа) происходит диффузия электронов из полупроводника в металл, металл заряжается отрицательно, а в приконтактной области полупроводника образуется слой, обедненный основными носителями заряда, заряженный положительно неподвижными ионами доноров. За счет этого возникает электрическое поле, напряженность которого направлена в сторону от полупроводника к металлу, и потенциальный барьер. Поле препятствует дальнейшему движению электронов в металл, устанавливается динамическое равновесие.

При прямом включении (плюсом на металл, минусом на полупроводник) высота потенциального барьера снижается и электроны (основные носители для полупроводника) переходят в металл. Так как при этом инжекции дырок из металла в полупроводник не происходит, то прямой ток обусловлен движением только основных носителей заряда полупроводника.

При обратном включении источника высота потенциального барьера повышается и его могут преодолевать только дырки (неосновные носители заряда для полупроводника), т. к. поле образованного слоя для них является ускоряющим. Поток дырок в металл создает обратный ток. Но т. к. концентрация дырок мала, то обратный ток также мал.

Таким образом, на границе с металлом в полупроводнике возникает слой, обладающий вентильным свойством. Он является неинжектирующим, что является большим преимуществом перед обычным p-n переходом, т. к. не происходит накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Длительность переходных процессов в диодах с таким переходом обусловлена только перезарядкой барьерной емкости.

Потенциальный барьер, полученный на контакте металл-полупроводник, называют барьером Шотки, а диоды на его основе — диодами Шотки. УГО диода Шотки показано на рис. 10. Диоды Шотки можно использовать для работы на частотах до десятков гигагерц.

Рис. 11	л4р3

Варикапы — это полупроводниковые диоды, в которых использовано свойство p-n перехода изменять барьерную емкость при изменении обратного напряжения. УГО варикапа показано на рис. 11. Варикап можно рассматривать как конденсатор с электрически управляемой емкостью. Характер изменения барьерной емкости у варикапа такой же, как и у обычного диода — с увеличением (по модулю) обратного напряжения она уменьшается, см. выражение (4).

Рис. 12	л8р5

В качестве источника излучения широко используются излучающие диоды, которые называют светоизлучающими диодами или светодиодами. Схематическое изображение структуры светодиода и его УГО показано на рис. 12. Излучение возникает при протекании через диод прямого тока и является результатом рекомбинации электронов и дырок в области p-n перехода и примыкающих областях. Основными характеристика

ми светодиодов являются зависимость яркости излучения (в кд/м²) от прямого тока — яркостная характеристика, и зависимость силы света (в кд) от прямого тока. Для диодов, работающих не в видимом диапазоне, используют зависимость мощности излучения

Рис. 13	л8р5

(в мВт) от прямого тока. С электрической точки зрения, основными характеристиками светодиодов являются максимально допустимый прямой ток I_ПР.МАХ прямое напряжение на диоде U_ПР при заданном значении прямого тока, обычно при I_ПР.МАХ. При работе светодиода текущий через него ток должен быть ограничен внешним резистором на уровне , меньшем I_ПР.МАХ (рис.13). Сопротивление резистора рассчитывается как .

 

Рис. 14

На рис. 14 показана упрощенная структура и УГО фотодиода — прибора, способного реагировать на излучение в видимой или инфракрасной областях спектра. Основным физическим процессом, протекающим в фотодиоде, является генерация пар электрон-дырка в области p-n перехода под действием излучения, которое воздействует на p-n переход через прозрачное окно. Фотодиоды характеризуют семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (в лм) или различным освещенностям (в лк). Если световой поток равен нулю, то ВАХ фотодиода фактически соответствует ВАХ обычного диода (рис. 15).

Рис. 15

Если световой поток не равен нулю, то образующиеся под его действием электроны и дырки начнут двигаться под действием внутреннего электрического поля p-n перехода — дырки к аноду, а электроны к катоду, т. е. усиливая дрейфовый ток перехода. В результате между электродами возникает разность потенциалов, тем большая, чем больше световой поток.

В зависимости от характера включения фотодиода в цепь различают фотогенераторный и фотопреобразовательный режимы работы. Классический случай работы фотодиода как фотогенератора — использование его для преобразования излучения в электрический ток в солнечных батареях. Иногда данный режим называют фотогальваническим. В этом режиме внешний источник напряжения отсутствует. На ВАХ данной ситуации соответствует отрицательная область на оси тока. К фотогенераторному режиму также относят работу фотодиода, подключенного в цепь внешнего источника напряжения в прямом направлении. При положительном внешнем напряжении анод-катод ток через диод может быть отрицательным, что соответствует четвертому квадранту ВАХ. В режиме фотогенератора фотодиод не потребляет энергию внешнего источника.

Другой режим работы фотодиода — режим фотопреобразователя. Он соответствует третьему квадранту ВАХ. В этом режиме фотодиод работает, когда в цепи присутствует внешний источник напряжения, смещающий фотодиод в обратном направлении, и нагрузка. Ток через нагрузку определяется обратным током фотодиода. С увеличением освещенности обратный ток фотодиода увеличивается (см. рис. 15), следовательно увеличивается ток в нагрузке.

Так как фотодиоды широко используются в системах автоматики в качестве датчиков видимого или инфракрасного излучения, то более подробно рассмотрим их основные характеристики и конструктивные особенности. Основными параметрами фотодиодов являются:

· область спектральной чувствительности, мкм — интервал спектральной характеристики, в котором чувствительность фотодиода превышает 10 % максимального значения;

· длина волны максимума спектральной чувствительности, мкм — длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики чувствительности;

· рабочее напряжение, В — постоянное напряжение, приложенное к фотодиоду, при котором обеспечены номинальные значения параметров при длительной работе;

· темновой ток, А — ток, протекающий через фотодиод при заданном напряжении в отсутствие потока излучения;

· фототок, А — ток, протекающий через фотодиод при указанном напряжении и обусловленный воздействием потока излучения;

· интегральная чувствительность по току, А/лм — отношение фототока к мощности потока излучения, вызвавшего появление фототока.

В табл. 1 приведены численные значения рассмотренных параметров для некоторых фотодиодов.

Фотодиоды могут содержать один фоточувствительный элемент, два (ФД-20-30К), четыре (ФД-19К) и более. Фоточувствительное поле фотодиода ФД-246 разделено на 12 (или 64) элементов, что позволяет снимать выходной сигнал в шестиразрядном коде Грея.

Таблица 1

Фотодиод	Размер чувствительного элемента, мм	Область спектральной чувствительности, мкм	Рабочее напряжение, В	Темновой ток, мкА	Интегральная чувствительность по току, мА/лм (мкА/лк)
ФД-6К	1,9´1,9	0,4…1,1			(14×10^-3)
ФД-19К	1´1	0,5…1,1		0,1	4,2
ФД-20-30К	1,5´1,5	0,5…1,1		0,1
ФД-246	12´0,3 (12) или 0,3´0,4 (64)	0,5…1,1	0,2		3,5
ФД-256	Æ 1.37	0,4…1,1		0,005
ФД-265	1,4´1,4	0,4…1,1		0,1	(7,5×10^-3)

Стабилитрон — это разновидность полупроводникового диода, для которого нормируется напряжение пробоя. В иностранной литературе стабилитрон называют диодом Зенера (Zener). Основная функция этого прибора в электронных схемах — стабилизация напряжения. Рассмотрим схему простейшего стабилизатора напряжения, в которую помимо стабилитрона (обратите внимание на его УГО) входит балластный резистор (рис. 16,а). Принцип действия этого стабилизатора, называемого параметрическим, поясняет рис. 16,б, на котором показаны совместные ВАХ стабилитрона и балластного резистора.

Пусть напряжение на входе стабилизатора составляет , ток стабилитрона составляет . Без учета нагрузки можно записать аналитическое выражение для характеристики балластного резистора (линия 1): . Если входное напряжение увеличится до уровня , то характеристика балластного резистора займет новое положение (линия 2), соответствующее выходному напряжению и току стабилитрона . Как видно из рис. 16,б, выходное напряжение останется практически неизменным, приращение входного напряжения выделится на балластном резисторе.

а)	б)
Рис. 16	лр6р2

Аналогичная картина будет наблюдаться при уменьшении входного напряжения или при изменении тока нагрузки.

Расчет стабилизатора производится, исходя из заданных пределов изменения входного напряжения и тока нагрузки, с использованием следующих выражений:

и сводится к определению сопротивления балластного резистора для выбранного стабилитрона.

Дата добавления: 2015-07-14