Применение полупроводниковых диодов

Цель работы:

Исследование некоторых практических применений полупроводниковых диодов для преобразования электрических сигналов

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые диоды, обладающие односторонней проводимостью благодаря вольт – амперной характеристике p –n перехода или перехода Шотки, находят весьма широкое и разнообразное применение в радиотехнических устройствах. Нелинейность прямой ветви вольт – амперной характеристики (ВАХ) используется для преобразования спектра входного сигнала, например для детектирования модулированных сигналов, или выделения суммарной или разностной частоты при подаче на вход двух сигналов разной частоты. Односторонняя проводимость диодов используется для выпрямления переменного тока, т.е. преобразования его в пульсирующий ток одного направления, из которого затем с помощью фильтров получают постоянный по величине и направлению ток.

Явление пробоя и обратная ветвь ВАХ после пробоя p - n перехода используется в диодах специальной конструкции (стабилитронах) для стабилизации напряжения и тока в нагрузке при случайных изменениях этих величин. Наличие барьерной емкости p – n перехода и ее зависимость от величины обратного напряжения используется для электрического управления емкостью различных электрических цепей, например, колебательных контуров, с использованием диодов специальной конструкции – варикапов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Диодный выпрямитель

Переменный ток промышленной частоты 50 Гц, энергией которого питается абсолютное большинство бытовых и промышленных приборов и машин абсолютно не пригоден для питания радиоэлектронных устройств, для работы которых необходимы источники питания постоянного (по величине и направлению) тока или напряжения. Получение такого тока или напряжения из переменного осуществляется в несколько этапов, одним из которых является выпрямление. В результате этой операции из синусоидального переменного тока получают постоянный по направлению, но изменяющийся по величине – пульсирующий ток (напряжение).

Эту операцию практически повсеместно сейчас выполняют с помощью полупроводниковых диодов, используя их одностороннюю проводимость. Для удобства и наглядности несколько идеализируем вольт – амперную характеристику (ВАХ) диода, считая обратный ток пренебрежительно малым, а прямую ветвь заменим прямой (рис.1).

. На рис.1,а реальная ВАХ показана штриховой линией, и добавлена еще одна координатная ось времени, позволяющая изобразить закон изменения входного напряжения диода от времени. На рис.1,б показан закон изменения тока, протекающего через диод, от времени.

Из графиков нетрудно понять, что диод открыт и пропускает ток только при положительной полуволне входного напряжения, а при отрицательной полуволне на диод действует запирающее обратное напряжение и ток в цепи не проходит, с учетом принятой нами идеализации ВАХ. По этой же причине (линейность прямой ветви) ток в цепи будет представлять собой последовательность синусоидальных импульсов, длительность которых и интервал между импульсами равны половине периода.

Если в качестве нагрузки включить резистивный элемент (рис.2), то падение напряжения на нем будет повторять по форме ток. С помощью последующих операций фильтрации и стабилизации из такого пульсирующего напряжения или тока получают постоянный не только по направлению, но и по величине ток. Выпрямитель на рис.2 называется однополупериодным, поскольку ток в цепи течет только одну половину периода. Есть схемы, использующие два или четыре диода, которые позволяют получить синусоидальные импульсы тока или напряжения в каждом полупериоде с одинаковой полярностью. Такие схемы называются двухполупериодными.

Операция фильтрации пульсирующего напряжения основана на использовании элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Дело в том, что последовательность синусоидальных импульсов можно представить рядом Фурье, в который будет входить постоянная составляющая и бесконечный набор гармонических составляющих с частотами, кратными частоте входного напряжения. Амплитуды этих гармонических составляющих уменьшаются с ростом частоты. Поскольку индуктивный элемент обладает сопротивлением прямо пропорциональным частоте, а емкостный элемент - обратно пропорциональным, то выбрав индуктивный элемент с достаточно большой индуктивностью и включив его последовательно с нагрузкой, а конденсатор достаточно большой емкости включив параллельно нагрузке, можно практически полностью избавиться от гармонических составляющих тока или напряжения в нагрузке, сохранив при этом постоянную составляющую.

Стабилизатор напряжения

Стабилитроны

Функцию стабилизации напряжения на нагрузке при колебаниях входного напряжения, или изменении тока нагрузки выполняют стабилизаторы напряжения. Основным элементом стабилизатора является диод специальной конструкции, рабочим участком ВАХ которого является обратная ветвь в области пробоя. Такие диоды называются стабилитронами.

Полупроводниковые стабилитроны изготавливаются на основе кремния в связи с малым обратным током и резким переходом в область лавинного или туннельного пробоя. Основные виды и механизмы пробоя подробно рассмотрены в лабораторной работе №2. Стабилитроны с напряжением пробоя U_пр< 5 В используют явление туннельного пробоя, который наблюдается в p – n переходах с резким распределением примеси и при высокой степени легирования. Область пространственного заряда в таких переходах очень мала ~ [(N_d + N_a ) / (N_dN_a) ]^1/2 (N_d, N_a – концентрации донорной и акцепторной примеси), составляет обычно сотые доли мкм, что и обеспечивает возможность квантово – механического туннелирования. Из – за малой ширины перехода и высокой концентрации носителей в области пространственного заряда напряженность электрического поля E достигает значений E = (2…4)*10⁵ В/см. При такой напряженности поля на электроны в валентных связях действует электростатическая сила, способная вырвать их из связи и перевести в зону проводимости. Поэтому туннельный пробой называют также зенеровским пробоем по имени ученого, предложившего этот механизм резкого роста числа носителей. Опыт показывает, что туннельный пробой возможен при см^-3. В резких p – n переходах, кроме специальных случаев, концентрация примеси составляет 10¹⁶…10¹⁷ см^-3. В плавных p – n переходах с линейным или экспоненциальным распределением примесей туннельный пробой возможен только при напряжениях, значительно превышающих напряжение лавинного пробоя, даже при сильном легировании n - и p – областей.

С ростом температуры перехода напряжение туннельного пробоя уменьшается (отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН)), поскольку при этом уменьшается ширина p – n перехода и растет вероятность туннелирования носителей в зону проводимости.

Значение напряжения лавинного пробоя обычно , и зависит оно от ширины запрещенной зоны E_g. Большему значению E_g требуется большая энергия носителя для ударной ионизации, а, значит, и напряжение пробоя будет больше.

Зависимость напряжения лавинного пробоя от материала полупроводника и степени легирования базы диода можно выразить формулой:

(2.1)

где: A и B – коэффициенты, зависящие от материала и типа проводимости полупроводника, - удельное сопротивление базы диода.Для базы диода n – типа, например

(2.2)

где: - подвижность электронов, - концентрация электронов (основных носителей) в базе диода, e – заряд электрона.

При уменьшении степени легирования базы диода уменьшается ее электропроводность σ, растут удельное сопротивление и напряжение лавинного пробоя .

Поскольку коэффициенты A и B в (2.1) не поддаются аналитическому расчету, на практике пользуются полуэмпирическими соотношениями для оценки напряжения пробоя резких несимметричных p – n переходов

(2.3)

и плавных p – n переходов:

(2.4)

где: E_g – ширина запрещенной зоны полупроводника ( E_g(Ge) = 0,67 эВ, E_g(Si) = 1,12 эВ), N – концентрация примеси в слабо легированной области (см^-3), α – градиент концентрации примеси в плавном p – n переходе (см^-4).

С ростом температуры полупроводника увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, возрастает вероятность столкновения свободных носителей с ними и уменьшается поэтому длина свободного пробега носителей. Чтобы при меньшей длине пробега носитель набрал необходимую для ионизации атомов энергию, необходимо повышение внешнего напряжения. Поэтому напряжение лавинного пробоя с ростом температуры возрастает (положительный ТКН).

У стабилитронов с напряжением пробоя 5…7В пробой определяется совместным действием туннельного и лавинного механизмов, поэтому у них напряжение пробоя при увеличении температуры практически не изменяется, т.к. ТКН туннельного и лавинного пробоя имеют противоположные знаки и компенсируют друг друга.