Диоды. Классификация. Отличие между P-N-переходом и диодом. Пробой диодов

Диодом называется электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи.

Классификация:

По типу p-n-перехода:

· -плоскостные (линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше его толщины)

· -точечные (наоборот).

По области применения:

· -выпрямительные

· - стабилитроны

· - варикапы

· - импульсные

· - туннельные и др.

По типу исходного материала:

· - кремниевые

· - германиевые

· - селеновые и др.

По методу изготовления перехода:

· - сплавные

· - диффузионные

· - диоды Шотки и др.

Ни один диод не выдерживает высоких токов и мощностей.

Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-п-переходе (электрический пробой может быть туннельным или лавинным), либо в результате разогрева перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода(тепловой пробой (увеличивается T, уменьшается R следовательно увеличивается ток). Так же есть поверхностный пробой, возникающий при загрязнении поверхности или структуры полупроводника не нужными примесями, и характеризуется появлением паразитного тока (см. рис. ниже). Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения. Возможность теплового пробоя диода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения и температурного диапазона работы. Напряжение пробоя зависит от типа диода и температуры окружающей среды.

При идеальном p –n-переходе:

При нежелательных примесях:

При прохождении прямого тока через диод расходуется некоторая энергия и поэтому происходит небольшое уменьшение напряжения на выходе диода. Это называется падением напряжения на диоде. У кремниевых диодов это обычно 0.7 В и слабо зависит от тока. Поведение диода хорошо видно на вольт-амперной характеристике диода.

Выпрямительные диоды.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Работа выпрямительных диодов основана на использовании вентильного эффекта – односторонней проводимости p-n-перехода. Наибольшее применение нашли кремниевые, германиевые, диоды с барьером Шотки.

В зависимости от величины выпрямляемого тока различают диоды малой мощности (Iпp max<0,3 A) и средней мощности (0,3 A< Iпp max ≤ 10 A). Для получения таких значений выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные p-n-переходы. Получающаяся при этом большая ёмкость p-n-перехода существенного влияния на работу не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

На рисунке приведены вольт-амперные характеристики германиевых и кремниевых диодов. Вследствие различной ширины запрещённой зоны германия и кремния обратный ток германиевых диодов на 2-3 порядка больше, чем кремниевых, а допустимое обратное напряжение кремниевых диодов больше, чем германиевых. По этой причине в германиевых диодах раньше наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла, а в кремниевых диодах наступает электрический пробой. На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры увеличивается частота генерации носителей зарядов, и увеличиваются прямой и обратный токи диодов.

При необходимости получения больших напряжений диоды соединяют последовательно. Для устранения разброса величины обратного сопротивления прибегают к шунтированию каждого диода цепочки высокоомным резистором.

Для получения высокого выпрямленного тока можно применить параллельное включение диодов; при этом необходимо выравнивать токи диодов, для чего последовательно с каждым из диодов включается резистор.

Приведена схема и графики напряжений и токов двух-полупериодного мостового выпрямителя. В выпрямителе используется 4 диода, которые попарно включены в проводящем направлении.

Стабилитроны

Стабилитрон — полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряжения источника питания на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих элементов (примесей). 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 слишком большой силы тока).

У стабилитронов до напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой с отрицательным температурным коэффициентом, выше 5,6 вольт доминирующим становится лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом. При напряжении, примерно равном 5,6 вольт, оба эффекта уравновешиваются, поэтому выбор такого напряжения стабилизации является одним из способов снижения его зависимости от температуры.

Режим электрического пробоя p-n-перехода находит практическое применение для стабилизации напряжения. Такие приборы называются стабилитронами. Для изготовления стабилитронов используется кремний. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке.

Для работы используется обратная ветвь, где значительному изменению тока соответствует малое изменение напряжения. Точка А соответствует устойчивому пробою и определяет величину минимального тока Imin. После точки А ток резко возрастает и допустимая величина его Imax ограничивается лишь мощностью рассеяния P max:

где – напряжение стабилизации.

Рабочую точку на характеристике выбирают посередине рабочего участка, т.е.

Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя p-n-перехода, зависит от концентрации примесей и лежит в пределах 4 – 200 В.

Схема простейшего стабилизатора с использованием стабилитрона показана на рисунке. Резистор r является гасящим и одновременно задаёт рабочую точку. Величина сопротивления r должна быть значительно больше величины дифференциального сопротивления стабилитрона.

При изменении температуры напряжение стабилизации может изменяться.

Параметры стабилитронов:

Напряжение стабилизации Uст. ном – падение напряжения на стабилитроне

при номинальном значении тока Iст. Минимальный и максимальный ток стабилизации Iст min, Iст max. Дифференциальное сопротивление . Статическое сопротивление в рабочей точке . Коэффициент качества стабилитрона . Температурный

коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к изменению температуры

.