Эквивалентная схема выпрямительного диода

Полупроводниковые диоды

 

Типы диодов: диоды бывают:

- электровакуумные (кенотроны),

- газонаполненные (газотроны, игнитроны, стабилитроны),

- полупроводниковы е.

 

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

 

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с двумя вы­водами, содержащий один p-n переход.

 

Рис. 6.1 Полупроводниковый диод (схема) и условное графическое обозначение (УГО) диода

 

Наибольшее применение получили кремниевые (Si -99% всего парка диодов) силовые, импульсные и пр., арсенид галлиевые (GaAs) - СВЧ диоды, перспективные - карбид кремниевые (SiC), нитрид галлиевые (GaN), InGaN, AlGaN - СВЧ диоды, светодиоды (InP, PbS), реже применяются германиевые (Ge) полупро­водниковые диоды.

 

Односторонняя проводимость p-n перехода наглядно иллюстрируется его вольтамперной характеристикой (ВАХ), показывающей зависимость тока через p-n -переход от величины и поляр­ности приложенного напряжения

 

 

Рис. 6.2 п/п диоды, конструкции (масштаб не выдержан)

 

 

Классификация диодов

- по физике работы - туннельный, лавинно-пролетный, с барьером Шоттки, с накоплением заряда, светодиод и проч.

- от способа получения p-n переходов полупроводниковые диоды делятся (по виду перехода) на два типа: точечные и плоскостные.

От технологии изготовления p-n перехода диоды делятся на точечные, микросплавные, сплавные, диффузионные, эпитаксиальные.

Точечныйдиод э то диод с очень малой площадью электрического перехода.

В точечном диоде с пластинкой кремния или германия (например, n-типа) соприкасается заостренная металлическая проволочка, образующая выпрямляющий переход в месте контакта (рис. 6.1).

Для создания стабильного выпрямляющего контакта при изготовлении точечного диода с пластинкой соприкасается заостренная металлическая игла имеющую на конце примесь индия или алюминия.

В результате термодиффузии (подача сильных импульсов тока) в кристалле п/п образуется слой р- типа.

 

Рис. 6.1 Вариант конструкции

точечного диода

 

Микросплавной диод занимают промежуточное положение между плоскостными и точечными. Микро­сплавные диоды, имеющие также малую площадь перехода.

При изготовлении микросплавного диода p-n переход формируется, например, путем микровплавления в кристалл (например Ge) тонкой золотой проволочки с присадкой

галлия на конце.

Диоды с микро­сплавными переходами выгодно отличаются от точечных лучшей ста­бильностью параметров, но емкость перехода у них больше и предель­ные частоты ниже, чем у точечных диодов.

 

Сплавной диод

При изготовлении сплавных диодов происходит вплавление приме­си в кремний или в другой п/п.

Электронно-дырочные переходы сплавных диодов- резкие.

 

 

Рис. 6.2 Сплавной диод, строение и конструкция

Сплавной диод малой мощности — диод со средним значением выпрямленного тока не более 0,3 а. В середину пластинки кремния (Si) проводимостью n-типа (рис. 6.2.1) вплавлен цилиндрический столбик из алюминия (Аl). Атомы алюминия диффундирует (проникает) в пластинку, вследствие чего проводимость части объема пластинки вблизи столбика становится дырочной (р-типа). Между нею и остальным объемом пластинки образуется р-n переход с хорошей проводимостью от алюминия к кремнию.

Конструкции сплавного диода – на рис. 6.2.3.

Аналогичную конструкцию имеет германиевый выпрямительный сплавной диод малой мощности, только в германиевую пластинку вплавлен индий.

Сплавной диод средней мощности — диод со средним значением выпрямленного тока от 0,3 до 10 а. Между пластинками кремния n-типа и p-типа прокладывают алюминиевую фольгу и нагревают. Алюминий сплавляется с кремнием и внутри получившейся монолитной пластинки образуется р-n переход (рис. 6.2.2).

Такая конструкция показана на (рис.6.2.4)

Диффузионнй диод

 

Конструкции сплавных и диффузионных диодов аналогичны.

 

При изготовлении диффузионных диодов p-n переход создается при высо­кой температуре диффузией примеси в кремний или германий из среды, содер­жащей пары примесного материала.

 

Рис. 6.3 Диффузионный диод

Диффузионный плоскостной р-n переход изготавливается на основе кремния n-типа или германия р-типа.

Диффузантами в первом случае является бор (В), а во втором - сурьма (Sb). Диффузия осуществляется при нагреве в во­дородной печи.

Пластина Si на­гревается до температуры, близкой к температуре плавления, а таблетка бора до испарения. В этих условиях атомы бора (B) напыляются на поверхность пластины и диффундируют вглубь ее. Вследствие этого на поверхности кристалла Si об­разуется слой Si p-типа. Последующим травлением этот слой удаляется со всех граней пластинки, кроме одной.

 

Между диффузионным слоем кремния p-типа и пластинкой Si n-типа образуется плавный р-n переход (рис.6.3), в котором эмиттером является высоколегированный диффузионный слой.

Метод диффузии позволяет достаточно точно контролировать процесс из­готовления перехода, вследствие чего обеспечивается однородность параметров из­готовляемых переходов.

Конструктивно плоскостные диффузионные диоды оформляются в металлические корпуса с выводами. Для улучшения теплоотвода кристалл припаивается непосредственно к корпусу, который служит одним из выводов.

 

Эпитаксиальные диоды

 

Эпитаксиальные (планарные, эпитаксиально - планарные диффузионные диоды) изготавливаются методом эпитаксии и локальной диффузии.

Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, выполняющую роль несущей конструкции структуры с сохранением ориентации кристаллов подложки.

Эпитаксия по­зволяет выращивать слои любого типа проводимости, требуемого удельного со­противления и любой толщины (до нескольких микрометров).

Локальной диффузией называется создание p-n перехода путем диффузии примесных атомов в эпитаксиальный слой через окно в маске (например, из оксида кремния)

Рис. 6.4 Эпитаксиально -планарный диод, p-n переход -1

Последовательность изготовления: базу изготовляют путем наращивания на подложке (4) с повышен­ной проводимостью эпитаксиального n-слоя (3) с пониженной про­водимостью, окисление (2) - создание оксидного слоя Si0₂, формирование "окна" в оксидном слое двуокиси кремния Si0₂ путем травления пленки окисла, затем производят диффузию донорной примеси (бора или алюминия) в эпитаксиальный слой через окно, создается р-n переход (1).

Производится металлизация площадок на n+ и p+ для выводов.

Производится формирование выводов и монтаж в кор­пус.

Пла­нарные диффузионные диоды характеризуются высокой надежностью, стабильностью параметров и большим сроком службы.

Плоскостные диоды имеют большие площади перехода, вследствие чего им присущи большие емкости и большие рабочие токи (до сотен и даже тысячи ампер). Используются в низкочастотных мощных электронных устройствах (силовых).

Выпрямительные диоды

Предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное напряжение (ток) в схемах электронных стабилизаторов.

Полупроводниковые выпрямительные диоды по эксплуатационной надежности и сроку службы значительно превосходят все остальные типы вентилей (ламповые). Поэтому они наиболее широко используются в источниках питания.

ВАХ диодов - основная характеристика полупроводниковых диодов.

 

Пример

Эквивалентная схема выпрямительного диода

Рис. 6.5 Эквивалентная электрическая схема диода

 

r_pn = f_T/I (6.1)

 

f_T температурный потенциал;

r_б – единицы- десятки [Ом];

С_д – единицы- десятки [пФ]

 

Прямое паде­ние напряжения выпрямительных кремниевых диодов не превышает

(1-2)В и больше, чем у германиевых.

Т.о., в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.

Но кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при оди­наковом напряжении, чем германиевые поэтому они получили преимущественное распространение.

Допустимое обратное напряжение германиевых диодов лежит в пределах:

U_o6pGe= 100- 400В, кремниевых диодов: U_o6psi = 1000 - 1500B.

 

Пример: выпрямитель на диоде

Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойст­ве

p-n перехода пропускать ток только в одном направлении. Простейшая (однополупериодная) схема выпрямителя на полупроводниковом диоде рис.6.6:

 

Рис. 6.6 Схема однополупериодного выпрямителя

Трансформатор служит для преобразования величины напряжения, т.е. для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя.

В этой схеме ток через диод и нагрузку R_H протекает только в положительные полупе­риоды входного напряжения U_ex, и кривая напряжения на нагрузке будет состоять из положительных полуволн синусоиды (если емкость С отключена)

 

 

Рис. 6.7

 

Емкость С сглаживает однополярные пульсации напряжения на нагрузке Rн.

 

Для того, чтобы избежать потери полупериода напряжения используется двухполупериодная схема выпрямителей - схемы со средней точкой и мостовая.

 

 

а) прохождение положительной и отрицательной полуволн тока

 

б)

 

Рис.6.8 Включение диодов в мостовой схеме (а) и эпюры входного выходного напряжения однополупериодной и двухполупериодной схем (б).

 

Параметры выпрямительного диода (основные)

 

1. Максимально допустимый прямой ток диода Inр. max

2. Прямое падение напряжения Unp - значение прямого напряжения на диоде при заданном

значении прямого тока;

3. Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max

4. Максимальная рабочая частота, fmax

5. Максимальная допустимая рассеиваемая мощность Рдоп.max

 

Стабилитрон

Стабилитрон - полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

 

 

Рис. 6.8 Условное графическое обозначение

 

В качестве материала для полупроводниковых стабилитронов ис­пользуется, как правило, кремний, обладающий высокой температурной стабильностью.

 

Рис. 6.9 ВАХ стабилитрона

 

В прямом включении ВАХ стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода.

Обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей поч­ти параллельно оси токов.

 

Нормальным режимом работы стабилитрона являет­ся работа при обратном напряжении на участке электрического пробоя р-n перехода.

 

По сравнению с обычными диодами стабилитрон имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.

 

Полупроводниковый материал стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих примесей (узкий переход). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие нарушения теплового баланса).

В основе работы стабилитрона лежат два механизма:

- лавинный пробой (пробой Аваланчи, avalanche breakdown) обычно развивается в достаточно широких p-n -переходах. Напряжение стабилизации > 5-6В.

 

- туннельный пробой (пробой Зенера, Zener, в англоязычной литературе, диод Зенера),

развивается в тонких р-n переходах при большой напряженности электрического поля. Напряжение стабилизации < 5В.

Они присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них.

При изменении в широких пределах тока через прибор паде­ние напряжения на нем практически не изменяется. Это свойство кремниевых стабилитронов и позволяет использовать их в качестве стабилизатора напряжения.

Для того, чтобы предотвратить тепловой пробой в конструкции стабилитрона пре­дусмотрен отвод тепла от р-n перехода.

Пример: Схема включения стабилитрона (параметрический стабилизатор)

 

Простейшая схема стабилизации постоянного напряжения – рис. 6.10

Выходное напряжение стабилизатора должно оставаться постоянным при изменении выходного напряжения или изменения сопротивления нагрузки.

 

 

Рис. 6.10Параметрический стабилизатор

 

Выходное напряжение стабилизатора не может быть абсолютно стабильным. Приращения DU_cm малы, и зависят от приращений входного напряжения D U вх.

U вх ⁼ U _cm ⁺ I_R0R₀, (6.2)

 

где r_q - токоограничивающий резистор.

 

I_R0 = (U_вх - U_cm)/ R₀, (6.3)

 

При увеличении входного напряжения U_вх+ DU_вх

 

I’_R0 = (U_вх+ DU_вх - U_cm)/ R₀ (6.4)

 

При этом I’_R0 > I_R0 и I’_cm > I_cm ток через стабилитрон увеличивается.

 

 

Параметром, определяющим качество стабилизатора является коэффициент стабилизации.

 

Коэффициент стабилизации определяется следующим образом:

(при этом 1_Н считается постоянным)

 

(6.5)