Выпрямительные плоскостные низкочастотные диоды

 

Этот тип диодов применяют для выпрямления переменного тока промышленной частоты (50Гц). В бортовой аппаратуре кораблей и самолетов частота переменного напряжения 400 Гц. Иногда выпрямительные диоды работают при еще больших частотах, вплоть до десятков килогерц.

К числу основных справочных параметров выпрямительных диодов относятся:

1) Максимально допустимый прямой ток I_пр.max;

2) прямое напряжение на диоде при заданном значении прямого тока U_пр; обычно прямое напряжение на диоде указывается при максимально допустимом прямом токе;

3) максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max; оно обычно составляет (0,5, …, 0,8) U_проб. (U_проб – пробивное напряжение);

4) обратный ток при заданном обратном напряжении I_обр; обычно он указывается при максимально допустимом обратном напряжении;

5) диапазон рабочих температур окружающей среды.

По значению максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды делятся на диоды малой мощности (до 0,3 А), средней мощности (I_пр.max = (0,3, …, 10)А) и большой мощности (I_пр.max>10 А).

Первые выпрямительные диоды изготавливались на основе германия вплавлением алюминия в кристаллы германия с проводимостью n– типа или вплавлением сплава олова с фосфором в кристаллы германия р– типа. Эта технология применялась позже и на кристаллах кремния. Такие диоды называются сплавными. Более поздние разработки используют диффузионный способ введения донорной или акцепторной примеси в кристаллы кремния с проводимостью р– или n– типа, соответственно. Такие диоды называются диффузионными.

Необходимую площадь р – n перехода рассчитывают на основе значений допустимого прямого тока, исходя из допустимой плотности прямого тока 200 А/см² для кремниевых р – n переходов. Максимально допустимые прямые токи кремниевых плоскостных диодов составляют 0,1…1000А. Падение напряжения на диодах при этих токах не превышает обычно 1,5 В. При повышении температуры прямое напряжение уменьшается из – за уменьшения высоты потенциального барьера р – n перехода.

Обратная ветвь ВАХ кремниевых диодов не имеет участка насыщения, т.к. обратный ток в них обусловлен генерацией носителей зарядов в р – n переходе. Пробой носит лавинный характер.

По параметрам и ВАХ германиевые диоды имеют ряд отличий от кремниевых:

1) прямое напряжение при I_пр.max на германиевом диоде почти в два раза меньше, чем на кремниевом из – за меньшей высоты потенциального барьера. Это существенное, но, к сожалению, единственное преимущество германиевых диодов;

2) обратный ток германиевых диодов имеет участок насыщения, что обусловлено процессом экстракции неосновных носителей заряда из прилегающих к р – n переходу областей;

3) значительно большая плотность обратного тока в германиевых диодах, так как при прочих равных условиях концентрация неосновных носителей заряда в германии больше на несколько порядков, чем в кремнии;

4) обратные токи в германиевых диодах больше, чем в кремниевых, поэтому пробой в них имеет тепловой характер, пробивное напряжение у них меньше, чем у кремниевых, и уменьшается с ростом температуры;

5) верхняя предельная рабочая температура германиевых диодов (около ) значительно ниже, чем у кремниевых ();

6) германиевые диоды чувствительны даже к кратковременным импульсным перегрузкам при обратном напряжении, тогда как кремниевые диоды способны выдерживать значительные импульсные перегрузки.

Общим свойством всех плоскостных выпрямительных диодов является большая барьерная емкость р – n перехода, которая мало влияет на работу диода лишь при низких частотах. Именно поэтому эти диоды называют низкочастотными.

 

Импульсные диоды

При быстрых изменениях напряжения на диоде в р – n переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными явлениями. Первое – это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении. При смене напряжения на обратное или при его уменьшении рассасывание этого заряда не может происходить мгновенно, на это требуется определенное время. Поскольку электрическое поле в базе диода невелико, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии, т.е. медленно. Второе явление – это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени , где - дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а - дифференциальная емкость р – n перехода.

Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, перезарядка барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.

 

Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.

Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам. Поэтому при переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток (рис.6), ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через р – n переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления t_вос – интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению диоды делятся на шесть групп: t_вос>500 нс (1 нс=10^-9с); t_вос=150…500 нс;t_вос=30…150 нс, t_вос=5…30 нс; t_вос=1…5 нс и t_вос<1 нс.

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рис.7), что связано с повышенным напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого

сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается. Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода – временем установления прямого напряжения t_уст, равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.

Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Она создает в запрещенной зоне примесные энергетические уровни, которые способствуют ускорению процессов рекомбинации и, следовательно, ускоряют процесс рассасывания неосновных носителей. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Одной из первых была разработана конструкция точечного диода. Он представляет собой кристалл германия, укрепленный на кристаллодержателе, к поверхности которого подведен упругий контактный электрод из тонкой проволоки. Все это помещено в стеклянный баллон. При пропускании импульса тока происходит приварка проволоки к полупроводнику с образованием полусферического р – n перехода радиусом около 20 мкм. Площадь и емкость такого р – n перехода значительно меньше, чем плоскостного.

В связи с существенными недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, изготовленными по современным методам формирования р – n переходов на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.

 

Диоды Шотки

 

Диод Шотки – это полупроводниковый прибор, использующий выпрямляющие свойства электрического перехода между металлом и полупроводником.

Как было показано выше, физические процессы, ограничивающие диапазон рабочих частот, - это накопление и рассасывание неосновных носителей заряда в базе диода и перезаряд барьерной емкости р – n перехода. Наибольшее влияние оказывает первый процесс, поэтому для расширения частотного диапазона требуется ускорить этот процесс. Накопления зарядов не будет, если исключить инжекцию неосновных носителей в базу диода. Среди нескольких возможных способов исключения инжекции наибольшее распространение получило использование перехода Шотки – выпрямляющего перехода, возникающего при контакте металла с полупроводником.

При идеальном контакте между этими материалами возникает диффузия электронов из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. Под работой выхода электрона понимается энергия, необходимая для перевода электрона с уровня Ферми на потолок верхней свободной зоны (без удаления его за пределы атома).

В результате диффузии электронов нарушается электронейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов:

где А_М и А_П – работа выхода электронов из металла (А_М) и полупроводника (А_П). Возникшая таким образом структура называется переходом Шотки.

Контактное электрическое поле на переходе Шотки сосредоточено практически только в полупроводнике, т.к. концентрация носителей заряда в металле много больше, чем в полупроводнике.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода А_М и А_П в полупроводнике может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой. Если А_М <А_П , то электроны с большей вероятностью переходят из металла в полупроводник. Если полупроводник p – типа, то из – за процессов рекомбинации вблизи контакта в нем образуется обедненный слой или, если А_М <<А_П, то инверсный слой, т.е. слой с избытком электронов. Если же полупроводник n – типа, то возникает обогащенный слой с избыточной концентрацией электронов вблизи границы относительно концентрации в остальном объеме

При условии А_М >А_П в полупроводнике n – типа получается обедненный (или даже инверсный) слой, а в дырочном – обогащенный.

Характерной особенностью перехода Шотки в отличие от р – n перехода является разная высота потенциальных барьеров для электронов и дырок. Благодаря этому при включении перехода Шотки в прямом направлении прямой ток возникает из – за движения основных носителей заряда из полупроводника в металл, а носители из металла (не основные для полупроводника) практически не могут перейти в полупроводник из – за высокого потенциального барьера на переходе. Поэтому не происходит и накапливания этих носителей в базе диода.

На базе выпрямляющего перехода Шотки можно создать выпрямительные, импульсные и сверхвысокочастотные диоды, имеющие значительно лучшие частотные свойства, чем диоды на р – n переходах.

Кроме рассмотренных типов диодов в радиоэлектронике находят широкое применение сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды, работающие на частотах СВЧ – диапазона (>300 МГц). Они делятся на смесительные диоды, предназначенные для преобразования СВЧ – сигналов в сигналы промежуточной частоты, детекторные диоды, выполняющие функцию детектирования сигнала, т.е. выделения из модулированного высокочастотного сигнала низкочастотной модулирующей составляющей, переключательные диоды, применяемые в устройствах управления уровнем СВЧ – мощности. В основе работы СВЧ – диодов заложено использование свойств перехода Шотки с различными конструктивными и технологическими особенностями.

Диоды позволяют не только выполнять различные преобразования сигналов различных частотных диапазонов, но и могут служить генераторами колебаний (обычно СВЧ - диапазона). Таковы лавинно-пролетные диоды, работающие в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении, или туннельные диоды, созданные на основе вырожденных полупроводников (с очень высокой концентрацией носителей: 10¹⁸…10²⁰ см^-3). Способность генерировать электрические колебания у этих приборов объясняется наличием в их ВАХ участков с отрицательным сопротивлением, т.е. участков, на которых происходит уменьшение тока при повышении напряжения.

Трудно представить современную радиоэлектронику без использования таких диодов специальной конструкции и применения, как стабилитроны и стабисторы, применяемые для стабилизации постоянного напряжения, или варикапы, у которых используется барьерная емкость р – n перехода и возможность изменять ее воздействием внешнего напряжения.

 

3.ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

Работа выполняется на стенде, включающем в себя базовый и лабораторный модули, связанные между собой соединительными кабелями. Базовый модуль содержит генератор синусоидальных и прямоугольных сигналов низкой частоты (до 250 кГц), источники регулируемого постоянного напряжения Е1 (0…20 В) и Е2 (0…30 В) и два цифровых мультиметра 1 и 2, каждый из которых содержит амперметр постоянного тока с пределом измерения 200 мА (А1 и А2) и вольтметр постоянного и переменного напряжения с пределом измерения 200 В.

На лабораторном модуле содержатся входные клеммы мультиметров и органы управления ими, выходные зажимы и регуляторы грубой и точной установки напряжения источников питания Е1 и Е2, выходные зажимы и регулятор выходного напряжения генератора низкой частоты, два источника постоянного напряжения Е3 ( 15 В) и Е4 (+5 В) и генератор импульсов ступенчатой и прямоугольной формы.

Центральную часть лабораторного модуля занимает наборное поле, которое предназначено для сборки исследуемых схем. Оно содержит группы соединенных между собою клемм. Соединения указаны на лицевой панели прямыми линиями.

При выполнении эксперимента следует учитывать следующее:

1. Прямой ток диодов сильно зависит от напряжения, поэтому при снятии прямой ветви ВАХ следует включить последовательно с ПД ограничительный резистор R = 560 Ом.

2. Прямую ветвь ВАХ следует снимать, уменьшая ток от предельного значения до нуля. При этом эксперименте удобнее фиксировать величину тока i и определять соответствующее этому току напряжение. Следует учитывать, что на начальном участке прямой ветви ВАХ ток растет медленно, поэтому на этом участке шаг для значений тока нужно брать меньше, чем на основном участке.

3. Обратный ток ПД слабо зависит от напряжения U_обр. Поэтому целесообразнее снимать обратную ветвь ВАХ, устанавливая U_обр в интервале 0…U_обр.max и измеряя соответствующие значения тока. Следует учесть, что наибольшие изменения тока происходят в интервале 0…-1 В, поэтому этот участок нужно снять подробнее, с меньшим шагом U_обр.

 

4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

4.1.Из справочника выписать основные параметры исследуемых диодов, уяснить их значение.

4.2.По известным параметрам определить предельные значения токов и напряжений для измерения ВАХ.

 

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5.1.Собрать схему для измерения прямой ветви ВАХ, ознакомиться с приборами и методикой измерения, установив предварительно соответствующие пределы измерений.

 

 

5.2.Снять прямую ветвь ВАХ . Эксперимент выполнить для двух ПД – германиевого и кремниевого. Результаты измерений занести в таблицу 1:

 

 

Таблица 1

Материал диода	Прямая ветвь
кремний	I, mA
U, В
германий	I, mA
U, В

 

5.3. Изменить полярность входного напряжения (на рис.8 указана в скобках), снять обратные ветви кремниевого и германиевого диодов. Данные занести в таблицу 2:

Таблица 2

Материал диода

Обратная ветвь

кремний

U, В

I, mA

германий

U, В

I, mA

 

5.4. Изучить частотные свойства выпрямительного и импульсного диодов. Собрать схему рис.9 с кремниевым выпрямительным диодом. На вход схемы подключить генератор прямоугольных импульсов. Подключить вход 1 осциллографа к зажимам 1-1΄, а вход 2 к зажимам 2-2΄. Зарисовать осциллограммы входного и выход- ного напряжений на частотах 100 Гц, 1, 10, 100 кГц. Заменить выпрямительный диод импульсным КД503А и повторить те же операции на тех же частотах.

 

6.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

6.1 По данным таблиц 1 и 2 построить ВАХ кремниевого и германиевого диодов на одном графике.

6.2 Оценить значение контактной разности потенциалов U_K по построенным ВАХ, сравнить полученные значения.

6.3 Объяснить различия в прямых и обратных ветвях ВАХ германиевого и кремниевого диодов.

6.4 Определить по экспериментальным ВАХ при I_пр=15 мА значения дифференциального сопротивления и сопротивления постоянному току для германиевого и кремниевого диодов.

6.5 По экспериментальной ВАХ германиевого ПД определить при U_обр=8 В дифференциальное и сопротивление постоянному току .

6.6 Проанализировать характер изменений в осциллограммах тока выпрямительного диода в зависимости от частоты. Объяснить эти изменения.

6.7 Сравнить зависимости частотных свойств выпрямительного и импульсного диодов. Сделать выводы.

 

7.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать:

1. Формулировку цели исследования.

2. Паспортные данные исследуемых диодов.

3. Схемы для выполнения измерений.

4. Таблицы экспериментальных данных.

5. Графики вольт - амперных характеристик.

6. Осциллограммы напряжений и токов на диодах при различных частотах.

7. Анализ полученных результатов и выводы по работе.

 

8.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Механизм проводимости в полупроводниках. Объяснение на основе зонной модели.

2. Формирование p-n перехода, его основные характеристики.

3. Что такое уровень Ферми? Как изменяется его положение при введении донорной или акцепторной примеси в полупроводник?

4. Как влияет внешнее электрическое поле на энергетическую диаграмму p-n перехода?

5. Дайте качественное объяснение вида вольт - амперной характеристики p-n перехода.

6. Что такое ток насыщения I_S? Почему он имеет различные значения для диодов, изготовленных из различных полупроводников?

7. Перечислите виды пробоя p-n перехода и объясните механизм каждого из них.

8. Как влияет температура на величину пробивного напряжения U_проб при различных видах пробоя?

9. Перечислите основные параметры выпрямительных диодов.

10. Какие факторы влияют на частотные свойства полупроводниковых диодов?

11. Чем отличаются импульсные диоды от выпрямительных?

12. Что такое переход Шотки?

13. При каких условиях диод Шотки обладает наилучшими частотными свойствами?

14. Почему выпрямительные диоды преимущественно кремниевые?

 

9.ЛИТЕРАТУРА

 

[1], [2], [4], [6], [17].

Лабораторная работа N3