Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Рабочий интервал температур.

Полупроводниковые приборы. Основные свойства полупроводников. Электронно-дырочный переход. Электрические свойства полупроводников. Собственная проводимость и способы образования примесных (электронной и дырочной) проводимостей полупроводников, влияние температуры. Физические основы образования электронно-дырочного перехода. Прямое и обратное включение р-n - перехода, его вольт-амперная характеристика. Емкости р-n перехода.

ёмкость p-n-перехода

Изменение напряжения на p-n-переходе приводит к перераспределению заряда на нём, а значит p-n-переход имеет ёмкость. Ёмкость p-n-перехода принято делить на две составляющие:

1) Барьерная ёмкость

2) Диффузионная ёмкость

Барьерная ёмкость - ёмкость конденсатора, обкладками которого являются p и n области, а диэлектриком – обеднённый слой.

; ;

Барьерная ёмкость является преобладающей при обратных и небольших положительных напряжениях. Барьерная ёмкость имеет высокую добротность, поскольку дифференциальное сопротивление велико. На практике барьерная ёмкость бывает от долей пкФ до сотен пкФ.

Варикап – переменная ёмкость, на основе p-n-перехода.

Барьерная ёмкость не зависит от частоты, вплоть до 10¹² Гц. Барьерная ёмкость слабо увеличивается с ростом температуры из-за снижения высоты потенциального барьера.

Диффузионная ёмкость обусловлена неравновесными /неосновными/ носителями в базе.

	- протекающий через p-n-переход ток
- время жизни неосновных носителей в базе
- температурный потенциал

Формула справедлива на низких частотах. На более высоких частотах диффузионная ёмкость стремится к 0. Ёмкость может достигать значений в несколько мкФ. Однако влияние диффузионной ёмкости на быстродействие p-n-перехода не увеличивается во столько же раз.

Полупроводниковые диоды. Устройство, принцип действия и классификация полупроводниковых диодов. Вольт-амперные характеристики, параметры и условные графические обозначения выпрями тельных, импульсных. высокочастотных диодов, стабилитронов, туннельного, обращенного диодов, варикапа. Предельно допустимые режимы работы полупроводниковых диодов. Маркировка полупроводниковых диодов.

На рис. 1.2 представлена классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов.

Диод – полупроводниковый прибор с одним n-p-переходом и двумя внешними выводами анод и катод. По назначению диоды делят на выпрямительные, высоко-частотные, импульсные, стабилитроны и т.д. Их изготавливают на основе германия или кремния. По технологии исполнения различают точечные, плоскостные (сплавные) и диффузионные диоды. Точечный диод получают при вплавлении металлической проволоки в пластину полупроводника. Плоскостные диоды получают при сплавлении пластин либо внесении примеси посредством диффузии.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение приведены на рис. 1.3. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода Iпр.max и максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max.

Стабилитрон представляет собой кремниевый полупроводниковый диод, который нормально работает при электрическом пробое n-p-перехода. При этом напряжение на диоде незначительно зависит от протекающего тока. Электрический пробой не вызывает разрушения перехода, если ограничить ток до допустимой величины. Стабилитроны применяют для стабилизации постоянного напряжения. ВАХ стабилитрона и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.4.

Основные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации Uст.ном, минимальный Icт.min и максимальный Iст.max токи стабилизации, максимальная мощность Pст.max.

Светодиод – полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного светового излучения. Явление свечения в светодиоде называется инжекционной электролюминесценцией. Основой светодиода является p - n - переход, смещенный внешним источником напряжения в проводящем направлении.

При прямом смещении потенциальный барьер n - p перехода понижается и происходит инжекция электронов в p-область и дырок в n-область. В процессе рекомбинации носителей заряда в n - p переходе энергия выделяется в виде фотонов, то есть процесс рекомбинации сопровождается световым излучением, частота которого определяет спектр излучения. Основными материалами для изготовления светодиодов служат арсенид галлия (GaAs), селенид цинка (ZnSe) фосфит галлия (GaP), нитрид галлия (GaN), индия-галлия нитрид (InGaN). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS)

Светодиоды нашли применение в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче, долговечности, надежности превосходят обычные лампы накаливания.

Основные параметры светодиодов:

1. Сила света Iv – cветовой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении (составляет десятые доли – единица мKд);

2. Яркость излучения равна отношению силы света к площади светящейся

поверхности (составляет десятки-сотни Кд/см2);

3. Постоянное прямое напряжение (2…4 В);

4. Цвет свечения или длина волны, соответствующая максимальному световому потоку;

5. Максимально допустимый постоянный прямой ток (составляет десятки мА);

6. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В);

7. Быстродействие излучающего диода (б = 10–6…10–9 сек.), определяемое временем переключения tпер.;

8. Диапазон температур окружающей среды (T0 = – 60…+70 °C);

9. Срок службы – составляет 104...106 часов.

Недостатком светодиодов является зависимость их параметров от температуры. Выпускаются светодиоды в виде точечных приборов, в виде матричных панелей и в виде знакосинтезирующих индикаторов.

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – генерации носителей заряда в полупроводнике под действием светового потока. Работает в двух режимах: фотопреобразовательном и фотогенераторном.

В фотопреобразовательном режиме под воздействием светово-

го потока Ф увеличивается обратный ток фотодиода. Такие диоды используют в устройствах, реагирующих на свет.

В фотогенераторном режиме диод работает как источник электрической энергии, преобразующий энергию света в электрическую. ВАХ фотодиода представле на на рис. 1.5.

Туннельный диод – полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках (рис. 1.6) при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью. Материалом для туннельных диодов служит сильнолегированный германий или арсенид галлия.

Основными параметрами туннельного диода являются ток пика Iп и отношение тока пика к току впадины Iп / Iв.

Для выпускаемых диодов Iп = 0,1…1000 мА и Iп / Iв = 5…20.

Туннельные диоды относятся к быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и импульсных переключателях.

Обращённый диод – диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Обращённые диоды представляют собой разновидность туннельных диодов, у которых ток пика Iпр = 0. Если к обращённому диоду приложить прямое напряжение Uпр ≤ 0,3 В, то ток диода Iпр ≈ 0 А, в то же время даже при небольшом обратном напряжении (порядка десятков милливольт) обратный ток достигает нескольких миллиампер.

Таким образом, обращённые диоды обладают вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где выпрямительные диоды обычно вентильными свойствами не обладают. При этом направлением наибольшей проводимости является направление, соответствующее обратному току. (Рис 1.7)

Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью.

Основными параметрами варикапа являются общая ёмкость Св, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении Uобр = 2…5 В, и коэффициент перекрытия по ёмкости KС = Cmax / Cmin. Для большинства выпускаемых варикапов С = 10…500 пФ и KС = 5…20.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов. Варикап – это диод, принцип действия которого основан на емкостном свойстве p-n-перехода. Зависимость C = f(U) приведена на рис 1.8. Используется в устройствах автоматической подстройки частоты (АПЧ).

СВЧ – диод – предназначен для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала (до десятков и сотен гигагерц). СВЧ – диоды применяются в устройствах генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ диапазона, умножения частоты, модуляции, генерирования сигналов и т.д.

Диод Шотки – получают, используя переход металл – полупроводник. В месте контакта возникает обедненный слой полупроводника, называемый запорным. Ток через контакт металл – полупроводник, в отличие от тока через электронно-дырочный переход, обусловлен только основными носителями заряда.

Отличительные особенности диода Шотки по сравнению с диодами других типов: более низкое прямое падение напряжения; малая инерционность; высокое быстродействие; низкий уровень ВЧ шумов; простота изготовления. Вольт амперная характеристика диода с переходом металл – полупроводник из – за малого сопротивления, ближе к идеальной. Диод Шотки применяют как СВЧ-диод различного назначения (детекторного, лавинно-пролётного, параметрического, импульсного); кроме того, применяют в качестве приёмников излучения,

детекторов ядерного излучения, тензодатчиков, модуляторов света; их используют также в низковольтных высокочастотных выпрямителях.

Классификация и система обозначений полупроводниковых диодов Система условных обозначений современных типов диодов установлена отраслевым стандартом ГОСТ 11 336.919-81. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод. Используются буквы или цифры:

Г или 1 – германий или его соединения;

К или 2 – кремний или его соединения;

А или 3 – соединения галлия;

И или 4 – соединений индия.

Второй элемент – буква, определяющая подкласс (или группу) прибора.

Д – диоды выпрямительные, импульсные;

И – туннельные диоды;

А – сверхвысокочастотные диоды;

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

В – варикапы;

С – стабилитроны (включая стабисторы и ограничители);

Г – генераторы шума;

Третий элемент – цифра, определяющая функциональные возможности диода.

Подкласс Д – диоды выпрямительные, импульсные, магнитодиоды, термодиоды:

1 – для выпрямительных диодов с постоянным или средним значением

прямого тока не более 0,3 А;

2 – для выпрямительных диодов с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 А до 10А;

3 – для магнитодиодов, термодиодов и прочих диодов;

4 – для импульсных диодов с временем восстановления обратного сопротивления более 500 нс;

5 – для импульсных диодов с временем восстановления от 150 до 500 нс;

6 – для импульсных диодов с временем восстановления от 30 до 150 нс;

7 – для импульсных диодов с временем восстановления от 5 до 30 нс;

8 – для импульсных диодов с временем восстановления от 1 до 5 нс;

9 – для импульсных диодов с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее 1 нс

Подкласс И – туннельные диоды:

1 – для усилительных туннельных диодов;

2 – для генераторных туннельных диодов;

3 – для переключательных туннельных диодов;

4 – для обращенных диодов.

Подкласс А – сверхвысокочастотные диоды:

1 – для смесительных диодов;

2 – для детекторных диодов; 3 – для усилительных диодов;

4 – для параметрических диодов.

5 – для переключательных и ограничительных диодов;

6 – для умножительных и настроечных диодов;

7 – для генераторных диодов;

8 – для импульсных диодов.

Подкласс Ц – выпрямительные столбы и блоки:

1 – для столбов с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

2 – для столбов с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10 А;

3 – для блоков с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

4 – для блоков с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10 А;

Подкласс В – варикапы:

1 – для подстроечных варикапов;

2 – для умножительных варикапов.

Подкласс С – стабилитроны:

1 – для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с номинальном напряжением стабилизации менее 10 В;

2 – для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с номинальном напряжением стабилизации от 10 до 100 В;

3 – для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с номинальном напряжением стабилизации более 100 В;

4 – для стабилитронов мощностью от 0,3 до 5 Вт с номинальном напряжением стабилизации менее 10 В;

5 – для стабилитронов мощностью от 0,3 до 5 Вт с номинальном напряжением стабилизации от 10 до 100 В;

6 – для стабилитронов мощностью от 0,3 до 5 Вт с номинальном напряжением стабилизации более 100 В;

7 – для стабилитронов мощностью от 5 до 10 Вт с номинальном напряжением стабилизации менее 10 В;

8 – для стабилитронов мощностью от 5 до 10 Вт с номинальном напряжением стабилизации от 10 до 100 В;

9 – для стабилитронов мощностью от 5 до 10 Вт с номинальном напряжением стабилизации более 100 В;

Подкласс Г – генераторы шума:

1 – для низкочастотных генераторов шума;

2 – для высокочастотных генераторов шума;

Четвертый элемент – число, обозначающее порядковый номер разработки диода.

Пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию диодов по параметрам. Для бескорпусных приборов в состав обозначения дополнительно через дефис вводится цифра, характеризующая соответствующую модификацию конструктивного исполнения;

1 – с гибкими выводами без кристаллодержателя (подложки);

2 – с гибкими выводами на кристаллодержателе (подложке);

3 – с жесткими выводами без кристаллодержателя (подложки);

4 – с жесткими выводами на кристаллодержателе (подложке);

5 – с контактными площадками без кристаллодержателя (подложки) и без выводов;

6 – с контактными площадками на кристаллодержателе (подложке) и без выводов;

буква Р после последнего элемента обозначения – для СВЧ диодов с парным подбором;

буква Г – с подбором в четверки;

буква К – с подбором в шестерки.

Рабочий интервал температур.

При повышении температуры растет собственная электропроводность проводника (увеличивается генерация пар носителей заряда электрон-дырка), растет ток насыщения и растет вероятность пробоя p-n перехода.

Максимально допустимая температура перехода тем больше, чем шире запрещенная зона полупроводника. Так для германиевых диодов допустимый интервал температур окружающей среды лежит в пределах , а для кремниевых в пределах . При понижении температуры увеличивается сопротивление диода как прямое, так и обратное, а также появляется вероятность механических повреждений кристалла из-за увеличивающейся хрупкости.

Допустимое обратное напряжение

Обычно за допустимое обратное напряжение принимается величина:

где - напряжение, при котором возникает пробой p-n перехода.

Значение зависит от температуры и от удельного сопротивления полупроводника .

Допустимый выпрямленный ток

Так как при протекании тока возрастает температура перехода, то величина допустимого тока ограничивается допустимой температурой перехода. Для того, чтобы получить выпрямленный ток больше допустимой величины, можно включить несколько диодов параллельно.

Предельно допустимая мощность рассеивания .

Предельно допустимая мощность рассеивания зависит от конструкции диода и от температуры окружающей среды, т.е. от условий охлаждения.

Очевидно, что рабочие режимы в схемах надо выбирать так, чтобы:

где I - ток, протекающий через диод,

U - напряжение, приложенное к диоду.

Воспользуйтесь поиском по сайту: