close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

;ppt

код для вставкиСкачать
Лекция 3
Раздел 1. АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
Тема 1.1: ДИОДЫ, ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА
План лекции:
1. Общие сведения о диодах.
2. Полупроводниковые диоды:
• Классификация.
• Условные обозначения.
• Конструкция.
• ВАХ.
• Пробой.
• Емкость.
Литература и источники информации:
[1] Статья «Диод» http://ru.wikipedia.org/wiki/%C4%E8%EE%E4
[2] Москатов Е. А. «Электронная техника. Начало»,раздел 3. Полупроводниковые диоды.
http://www.moskatov.narod.ru/Books/The_electronic_technics/Semiconductor_diodes.html
[3] Виды пробоев pn-перехода http://kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_1/glv_1_page_7.html
[4] Статья «Электронная лампа» http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/1443/электронная
[5] Статья «Полупроводниковый диод» http://www.physbook.ru/index.php/Т._Полупроводниковый_диод
[6] В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.
[7] Цветная маркировка диодов. ttp://meandr.org/цветовая-маркировка-импортных-диодо
[8] И.П.Жеребцов „Основы электроники” – 4-е изд., перераб. и доп. Л.:
Энергоатомиздат. Ленинградское отд-е, 1985.-352 с, ил.
[9] Ю.П.Колонтаєвський, А.Г.Сосков „Промислова електроніка та мікросхемотехніка:
теорія і практикум”. За ред. А.Г.Соскова.- К.: Каравела, 2003.- 368 с.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИОДАХ
[1]
ДИОД (от др.-греч. δις — два и -од означающего путь) — двухэлектродный электронный
прибор, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления
электрического тока (рис.1). Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу
источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют
АНОДОМ, подключаемый к отрицательному полюсу — КАТОДОМ.
Рис.1. Диоды: (а) электровакуумный, (б) полупроводниковый. [4,5]
Развитие диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по двум направлениям: в 1873 году британский
учёный Фредерик Гутри открыл принцип действия термионных (вакуумных ламповых с прямым накалом) диодов
(рис.1, а), в 1874 году германский учёный Карл Фердинанд Браун открыл принцип действия кристаллических
(твёрдотельных) диодов (рис.1, б). Позже был открыт принцип работы полупровдниковых диодов русским
математиком и физиком Шинкаренко Валерием Геннадьевичем.
Принципы работы термионного диода были заново открыты 13 февраля 1880 года Томасом Эдисоном, и затем, в
1883 году, запатентованы (патент США № 307031). Однако дальнейшего развития в работах Эдисона идея не
получила. В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле.
открытие Брауна в устройство применимое для детектирования радио. Около 1900 года Гринлиф Пикард создал
первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. Первый термионный диод был запатентован в Британии Джоном
Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904
года (патент США № 803684 от ноября 1905 года). 20 ноября 1906 года Пикард запатентовал кремниевый
кристаллический детектор (патент США № 836531).
В конце XIX века устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году
Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» —
путь.
Ключевую роль в разработке первых отечественных полупроводниковых диодов в 1930-х годах сыграл советский
физик Б. М. Вул.
ТИПЫ ДИОДОВ: диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными
(газотроны, игнитроны, стабилитроны), полупроводниковыми и др (рис.2). В настоящее
время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.
Рис.2. Типы диодов. [1]
[4]
ДВУХЭЛЕКТРОДНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА – ДИОД (рис.1,а): электровакуумный прибор, в
котором создаётся поток электронов, движущихся в вакууме, и осуществляется
управление этим потоком с помощью одного (или нескольких, триод) электродов. Его
действие основано на явлении
термоэлектронной эмиссии
(испускании электронов нагретым
твёрдым телом) и действии
электрического поля на
движущиеся заряды.
Предназначены для усиления,
модуляции, детектирования,
выпрямления и генерирования
электрических колебаний. По
числу электродов делятся на
диоды, триоды, тетроды, пентоды
и т. д.; по способу подогрева
катода – на лампы прямого и
косвенного накала; по
конструкции – на стеклянные
лампы с цоколем и пальчиковые,
металлические,
металлостеклянные и
металлокерамические. Любая
электронная лампа представляет
Рис.3. Конструкция и ВАХ вакуумного диода. [4]
собой металлический, стеклянный
или керамический баллон,
внутри которого укреплены электроды. В баллоне создаётся высокий вакуум,
необходимый для того, чтобы газы не мешали движению электронов в лампе. Источником
электронов является отрицательный электрод – КАТОД. Роль катода выполняет нить
накала либо небольшая трубка из особого вещества, нагреваемая помещённой внутрь
нитью. Положительный электрод – АНОД, окружающий катод, – имеет форму цилиндра или
коробки без торцевых стенок (рис.3).
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
[2]
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД – это обычно полупроводниковый нелинейный компонент с двумя
выводами, обладающий свойством односторонней проводимости, и имеющий
электронно-дырочный переход (рис.1, б). В этом определении важно слово «обычно»,
так как некоторые разновидности диодов не обладают свойством односторонней
проводимости (туннельные диоды) и не имеют электронно-дырочного перехода (диоды
Ганна).
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ДИОДОВ:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
СТАБИЛИТРОНЫ (диод Зенера). Используют обратную ветвь характеристики диода с
обратимым пробоем для стабилизации напряжения.
ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ (диоды Лео Эсаки). Диоды, существенно использующие
квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного
сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители,
генераторы и пр.
ВАРИКАПЫ (диоды Джона Джеумма). Используется то, что запертый p—n-переход
обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от приложенного обратного
напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости.
СВЕТОДИОДЫ (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при
рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне,
а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК
диапазоне, а с недавних пор — и в УФ.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ. По устройству близки к светодиодам, однако имеют
оптический резонатор, излучают когерентный свет.
ФОТОДИОДЫ. Запертый фотодиод открывается под действием света.
СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ. Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на
p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.
ДИОДЫ ГАННА. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ
диапазоне.
ДИОД ШОТТКИ. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.
ЛАВИННЫЙ ДИОД — диод, основанный на лавинном пробое обратного участка
вольт-амперной характеристики. Применяется для защиты цепей от перенапряжений
ЛАВИННО-ПРОЛЁТНЫЙ ДИОД — диод, основанный на лавинном умножении носителей
заряда. Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.
МАГНИТОДИОД. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит
от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно
плоскости p-n-перехода.
СТАБИСТОРЫ. При работе используется участок ветви вольт-амперной
характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
СМЕСИТЕЛЬНЫЙ ДИОД — предназначен для перемножения двух высокочастотных
сигналов.
pin ДИОД — содержит область собственной проводимости между
сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой
электронике, как фотодетектор.
КЛАССИФИКАЦИЯ
[1]
Классификация диодов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим
параметрам, конструктивно-технологическим признакам, роду исходного материала
(полупроводника) отображается системой условных обозначений их типов. Система
условных обозначений постоянно совершенствуется в соответствии с возникновением
новых классификационных групп и типов диодов. Обычно системы обозначений
представлены буквенно-цифровым кодом.
Классификация диодов по следующим признакам:
ПО КОНСТРУКЦИИ: плоскостные, точечные, микросплавные диоды и т.д.
ПО МОЩНОСТИ: маломощные; средней мощности; мощные.
ПО ЧАСТОТЕ: низкочастотные; высокочастотные; СВЧ.
ПО ФУНКЦИОНАЛЬНОМУ НАЗНАЧЕНИЮ: выпрямительные диоды; импульсные диоды;
стабилитроны; варикапы; светодиоды; туннельные диоды и т.д.
УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ
Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:
МАРКИРОВКА диодов и УСЛОВНОЕ ГРАФИЧЕСКОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ (обозначение на принципиальных
электрических схемах).
[6]
В соответствии с системой обозначений, разработанной до 1964 г., сокращенное обозначение диодов состояло
из двух или трех элементов. Первый элемент буквенный, Д — диод. Второй элемент — номер, соответствующий
типу диода: 1…100 — точечные германиевые, 101…200— точечные кремниевые, 201…300 — плоскостные
кремниевые, 801…900 — стабилитроны, 901…950 — варикапы, 1001…1100 — выпрямительные столбы. Третий
элемент — буква, указывающая разновидность прибора. Этот элемент может отсутствовать, если
разновидностей диода нет.
В настоящее время существует система обозначений, соответствующая ГОСТ 10862-72. В новой, как и в старой
системе, принято следующее разделение на группы по предельной (граничной) частоте усиления (передачи
тока ) на низкочастотные НЧ (до 3 МГц), средней частоты СЧ (от 3 до 30 МГц), высокочастотные ВЧ (свыше
30 МГц) и сверхвысокочастотные СВЧ; по рассеиваемой мощности — на маломощные. (до 0,3 Вт), средней (от
0,3 до 1,5 Вт) и большой (свыше 1,5 Вт) мощности.
НОВАЯ СИСТЕМА МАРКИРОВКИ ДИОДОВ более совершенна. Она состоит из четырех элементов:
•
ПЕРВЫЙ ЭЛЕМЕНТ (буква или цифра) указывает исходный полупроводниковый
материал, из которого изготовлен диод: Г или 1 — германий* К или 2 — кремний,
А или 3 — арсенид галлия, И или 4 — фосфид индия.
•
ВТОРОЙ ЭЛЕМЕНТ — буква, показывающая класс или группу диода (Д –
выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды; А – диоды СВЧ; C – стабилитроны; В –
варикапы; И – туннельные диоды; Ф – фотодиоды; Л – светодиоды; Ц –
выпрямительные столбы и блоки).
•
ТРЕТИЙ ЭЛЕМЕНТ — число, определяющее назначение или электрические свойства
диода.
•
ЧЕТВЕРТЫЙ ЭЛЕМЕНТ указывает порядковый номер технологической разработки диода
и обозначается от А до Я.
НАПРИМЕР, диод КД202А расшифровывается: К — материал, кремний, Д — диод
выпрямительный, 202 — назначение и номер разработки, А — разновидность; 2С920 —
кремниевый стабилитрон большой мощности разновидности типа А; АИЗ01Б —
фосфид-индиевый туннельный диод переключающей разновидности типа Б. Иногда
встречаются диоды, обозначенные по устаревшим системам: ДГ-Ц21, Д7А, Д226Б, Д18.
В условное обозначение диода не всегда входят некоторые технические данные, поэтому их необходимо искать
в справочниках по полупроводниковым приборам. Одним из исключений является обозначение для некоторых
диодов с буквами КС или цифрой вместо К (например, 2С) — кремниевые стабилитроны и стабисторы. После
этих обозначений стоит три цифры,
если это первые цифры: 1 или 4,
то взяв последние две цифры и
разделив их на 10 получим
напряжение стабилизации Uст.
Например, КС107А — стабистор,
Uст = 0,7 В, 2С133А —
стабилитрон, Uст = 3,3 В. Если
первая цифра 2 или 5, то
последние две цифры показывают
Uст, например, КС213Б — Uст=13 В,
2С 291А — 0Uст = 91 В, если цифра
6, то к последним двум цифрам
нужно прибавить 100 В, например,
КС 680А – Uст = 180 В.
Рис. 4. Нанесение цветового кода на диоды. [6]
Маркировку диода наносят на
его корпус. На корпус диода
обычно также наносят его
УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ.
Условное обозначение диода
(анод и катод) указывает,
как нужно подключать диод
на платах устройств. Диод
имеет два вывода, один из
которых катод (минус), а
другой — анод (плюс). Условное графическое изображение на корпусе диода наносится в
виде стрелки, указывающей прямое направление, если стрелки нет, то ставится знак
«+». На плоских выводах некоторых диодов (например, серии Д2) прямо отштамповано
условное обозначение диода и его тип (рис.5). При нанесении ЦВЕТОВОГО КОДА, цветную
метку, точку или полоску наносят ближе к аноду (рис. 4). Существуют и другие виды
цветной маркировки диодов (рис.6, а, б).
Рис.5. Условное обозначение диодов по функциональному назначению:
(a) выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Гана;
(б) стабилитроны; (в) варикапы; (г) тоннельные диоды; (д) диоды Шоттки;
(е) светодиоды; (ж) фотодиоды; )з) выпрямительные блоки.
Рис.6. (а) маркировка по европейской системе Pro
Electron, (б) маркировка по системе JEDEC (США). [7]
Обозначение полупроводниковых приборов в системе
JEDEC имеет следующую форму:
<цифра> <буква> <серийный номер> [суффикс]
Первая цифра — цифра, отражающая количество
переходов в элементе (1 для диодов).
Буква —всегда буква “N”.
Серийный номер — двух-, трех- или четырехзначное число, которое отражает порядковый номер регистрации
полупроводникового прибора в EIA. Никакой дополнительной информации за исключением, возможно, времени
регистрации этот номер не несет.
Суффикс — отражает разбивку приборов одного типа на различные типономиналы по характерным параметрам.
Суффикс может состоять из одной или нескольких букв.
КОНСТРУКЦИЯ
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 в
вакуумной печи при высокой
температуре (порядка 500 °С)
происходит диффузия акцепторной
примеси в базу диода, в
результате чего образуется
область p-типа проводимости и
p-n переход большой плоскости
(отсюда название). Вывод от
p-области называется анодом, а
вывод от n-области – катодом
(рис. 28).
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: 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
(рис.29,30). 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.
ВАХ
[3]
ИДЕАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД
допускает протекание бесконечно
большого прямого тока и
выдерживает бесконечно большое
обратное напряжение. Это отражено на вольт-амперной характеристике, изображенной на
рис. 31. Идеальных диодов на практике не бывает. РЕАЛЬНЫЙ ДИОД всегда имеет
конечную величину обратного напряжения, после чего наступит электрический пробой, и
вполне определенный максимальный прямой ток, превышение которого вызовет тепловой
пробой. Вольт-амперная характеристика реального диода дана на рис. 32.
Вольт-амперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n
перехода: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольт-амперная
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.
По ВАХ диода можно определить
такие основные электрические
параметры (рис.32):
•
•
•
•
•
Іпр.доп. максимально
допустимый постоянный
прямой ток, А;
Uобр.макс. максимально
допустимое постоянное
обратное напряжение, В;
Іобр обратный ток,
протекающий через диод в
обратном включении при
приложенном к его
выводам максимально
допустимом постоянном
напряжении Uобр.макс., мкА;
Rст.пр. статическое
сопротивление диода в
прямом включении, равное
отношению падения
напряжения на диоде в
прямом включении к силе
прямого тока, Ом;
Rст.обр. статическое
сопротивление диода в
обратном включении,
равное отношению
величины обратного
напряжения к силе обратного тока, МОм;
•
•
Rіпр. динамическое сопротивление диода в прямом включении, составляющее
отношение изменения падающего не диоде постоянного напряжения в прямом
включении к величине изменения силы прямого тока, Ом;
Rіобр. динамическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению
изменения обратного напряжения к изменению величины обратного тока, Ом.
ПРОБОЙ
Когда обратное напряжение диода достигает определенного критического значения, ток
диода начинает резко возрастать. Это явление называют ПРОБОЕМ ДИОДА. Заметим, что
пробой сопровождается выходом диода из строя лишь в том случае, когда возникает
чрезмерный разогрев перехода, и происходят необратимые изменения его структуры.
Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он
сохраняет работоспособность и после пробоя. Более того, для некоторых типов диодов
пробой является основным рабочим режимом. Напряжение, при котором наступает пробой
перехода, зависти от типа диода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.
[3]
Возможны ОБРАТИМЫЕ и НЕОБРАТИМЫЕ ПРОБОИ. Обратимый пробой – это пробой, после
которого p-n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к
разрушению структуры полупроводника.
Существуют четыре типа пробоя: ЛАВИННЫЙ, ТУННЕЛЬНЫЙ, ТЕПЛОВОЙ и ПОВЕРХНОСТНЫЙ.
Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ,
который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.
При ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРОБОЕ число носителей заряда в переходе возрастает под действием
сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки, при ТЕПЛОВОМ
ПРОБОЕ – за счет термической ионизации атомов.
ЛАВИННЫЙ ПРОБОЙ свойственен полупроводникам, со значительной толщиной p-n-перехода,
образованных слаболегированными полупроводниками. При этом ширина обедненного слоя
гораздо больше диффузионной длины носителей. Пробой происходит под действием
сильного электрического поля. В лавинном пробое основная роль принадлежит
неосновным носителям, образующимся под
действием тепла в p-n-переходе. Эти
носители, испытывают со стороны
электрического поля p-n-перехода
ускоряющее действие и начинают ускоренно
двигаться вдоль силовых линий этого
поля. При определенной величине
напряженности неосновные носители заряда
на длине свободного пробега могут
разогнаться до такой скорости, что их
кинетической энергии может оказаться
достаточно, чтобы при очередном
соударении с атомом полупроводника
ионизировать его, т. е. «выбить» один из
его валентных электронов и перебросить
его в зону проводимости, образовав при
этом пару «электрон – дырка» (рис. 7).
Образовавшиеся носители тоже начнут
разгоняться в электрическом поле,
сталкиваться с другими нейтральными
атомами и процесс, таким образом, будет
лавинообразно нарастать. При этом
происходит резкий рост обратного тока
при практически неизменном обратном
напряжении.
Рис.7. [3]
ТУННЕЛЬНЫЙ ПРОБОЙ происходит в очень
тонких p-n-переходах, что возможно при
очень высокой концентрации примесей ,
когда ширина перехода становится малой
(порядка 0,01 мкм) и при небольших
значениях обратного напряжения
(несколько вольт), когда возникает
большой градиент электрического поля.
Высокое значение напряженности
электрического поля, воздействуя на
атомы кристаллической решетки, повышает
энергию валентных электронов и приводит
к их туннельному «просачиванию» сквозь
«тонкий» энергетический барьер (рис. 8)
из валентной зоны p-области в зону
проводимости n-области. Причем
«просачивание» происходит без изменения
Рис.8.
энергии носителей заряда. Для туннельного
пробоя также характерен резкий рост
обратного тока при практически неизменном обратном напряжении.
[3]
Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально
допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической
структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены
многократно.
ЕМКОСТЬ
Принято говорить об общей емкости диода Сд, измеренной между выводами диода при
заданном напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной
емкости С6ар , диффузионной емкости Сдиф и емкости корпуса прибора Ск.
БАРЬЕРНАЯ (ЗАРЯДНАЯ) ЕМКОСТЬ обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов
примесей, сосредоточенными по обе стороны от границы р-n-перехода. Модельным
аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками
которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не
имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до
сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать
десятикратной величины.
ДИФФУЗИОННАЯ ЕМКОСТЬ. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов
и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие
наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной
емкости. Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч
пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n-перехода определяется
преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении - барьерной
емкостью.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа