Методическое пособие "Основы полупроводниковых приборов"
учебно-методическое пособие по теме

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов

1. Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов;
2. Конструкция полупроводниковых диодов;
3. Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов.

1. Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода.

Классификация диодов производится по следующим признакам:

— по конструкции:

1. плоскостные диоды;
2. точечные диоды;
3. микросплавные диоды.

— по мощности:

1. маломощные;
2. средней мощности;
3. мощные.

— по частоте:

1. низкочастотные;
2. высокочастотные;
3. СВЧ.

— по функциональному назначению:

1. выпрямительные диоды;
2. импульсные диоды;
3. стабилитроны;
4. варикапы;
5. светодиоды;
6. тоннельные диоды
7. и так далее.

Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:

1. маркировка диодов;
2. условное графическое обозначение (УГО) — обозначение на принципиальных электрических схемах.

По старому ГОСТу все диоды обозначались буквой Д и цифрой, которая указывала на электрические параметры, находящиеся в справочнике.

Новый ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений:

I — показывает материал полупроводника:

1. Г (1) — германий;
2. К (2) — кремний;
3. А (3) — арсенид галлия.

II — тип полупроводникового диода:

1. Д — выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды;
2. А — диоды СВЧ;
3. C — стабилитроны;
4. В — варикапы;
5. И — туннельные диоды;
6. Ф — фотодиоды;
7. Л — светодиоды;
8. Ц— выпрямительные столбы и блоки.

III — три цифры — группа диодов по своим электрическим параметрам:

IV — модификация диодов в данной (третьей) группе.

2. Конструкция полупроводниковых диодов

Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости иp-n переход большой плоскости (отсюда название). Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области — катодом (смотрите рисунок13).

                                                                 Рис. 13

Большая плоскость p-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными.

Точечные диоды:

Рис. 14

Рис. 15

К базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область (смотрите рисунок 15). Получается p-n переход очень малой площади. За счёт этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер).

Микросплавные диоды.

Их получают путём сплавления микрокристаллов полупроводников p- и n- типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам — точечные.

3. Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов

Рис. 16

Вольтамперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехода: сказывается влияние сопротивления базы.

После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет наклон, так как за счёт возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда.

             Рис. 17

1. Максимально допустимый прямой ток Iпр.max.
2. Прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Uпр.max.
3. Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max = (⅔ ÷ ¾) ∙ Uэл.проб.
4. Обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении Iобр.max.
5. Прямое и обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратном напряжениях:;
6. Прямое и обратное динамическое сопротивление диода:

;

;

Выпрямительные диоды

1. Общая характеристика выпрямительных диодов;
2. Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей.

1. Общая характеристика выпрямительных диодов

Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный в силовых цепях, то есть в источниках питания. Выпрямительные диоды всегда плоскостные, они могут быть германиевые или кремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряжению, а также имеют меньший обратный ток.

Рис. 18

Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов (смотрите рисунок 18). Добавочные сопротивления Rд величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью выравнивания токов в каждой из ветвей.

Рис. 19

Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов (смотрите рисунок 19). Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания падения напряжения на каждом из диодов.

2. Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей

Диоды в схемах выпрямителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток — малый КПД.

Рис. 20

Рис. 21

Значительно чаще применяются двухполупериодные выпрямители.

Рис. 22

Рис. 23

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 — закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (–).

В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагрузка, диод VD2, верхняя ветвь (–).

Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода. Схема выпрямителя называется двухполупериодной.

Если понижающий трансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторичной обмотки, то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах(смотрите рисунок 24).

Рис. 24