Тема 1. 1. Полупроводниковые приборы. Выпрямительные устройства.

Диоды.

В современной электронике используются диэлектрики, полупроводниковые материалы разных типов и металлы. По электропроводящим свойствам они различаются значениями удельной электрической проводимости σ, что согласно зонной теории вызывается разными значениями ширины запрещенной зоны в энергии электронов ΔW (см. таблицу 2).

Таблица 1.2.

Ширина запрещенной зоны определяет возможность попадания электронов в зону проводимости и связанного с этим движения их в веществе.

Характерным свойством полупроводников, так же отличающим их от металлов и изоляторов, является сильная зависимость электрических свойств от внешних условий – электрических и магнитных полей, температуры и освещённости, т.е. от внешних источников энергии, позволяющих электронам достичь зоны проводимости.

Для увеличения электрической проводимости в полупроводники вводят примеси в малых количествах. В зависимости от валентности материала примеси получают полупроводники разных типов. Если валентность примеси больше валентности основного вещества, то возникает полупроводник n-типа, если же меньше – полупроводник p-типа. На рис.1.10 приведены энергетические диаграммы для различных полупроводников. На диаграмме: 1- зона проводимости, 2- запрещенная зона, 3-валентная зона основного полупроводника, 4 – валентная зона донорного примесного полупроводника, 5- валентная зона акцепторного примесного полупроводника.

Рис.1.10.

При этом в полупроводниках n-типа в запрещенной зоне появляются дополнительные энергетические уровни ближе к зоне проводимости, что создает электронную проводимость.

В полупроводниках p-типа примесями создаются дополнительные энергетические уровни в запрещенной зоне ближе к валентной зоне. Это позволяет переходить электронам из валентной зоны на дополнительные уровни. В основном полупроводнике создаются дырки, что создает дырочную проводимость.

В нелегированном полупроводнике (т.е. без примесей) количество свободных дырок и электронов одинаковое.

В полупроводнике p-типа отрицательные заряды неподвижны, а положительно заряженные дырки свободно двигаются. Здесь дырки – основные носители зарядов. о

В полупроводнике n-типа дырки неподвижны, а электроны свободно двигаются. Здесь электроны - основные носители зарядов.

Простейшими полупроводниковыми элементами с одним типом полупроводника являются полупроводниковые резисторы. Они используются, например, в качестве первичных преобразователей температуры (термисторы и позисторы), деформации и сил (тензорезисторы) и др. Примеры таких элементов будут рассмотрены позднее.

По принятой у нас терминологии такие элементы производители и поставщики часто назвают приборами. Так же приборами или электронными устройствами называют совокупность электронных элементов.

Следующим по сложности элементом является полупроводниковый диод. В диоде есть две области из полупроводниковых материалов разных типов (рис.1.11). Место их контактов называют p-n переходом. В области p-n перехода происходят движение свободных зарядов. Электроны из области n переходят в область p, и дырки из области p в область n через границу областей. На границе в области p при этом возникает слой отрицательных зарядов, а в области n – положительных зарядов – т.е. двойной слой зарядов. Плотность свободных зарядов ρ – красная кривая 1 на рис. 1.11. Область p получает отрицательный потенциал V, область n- положительный. В результате этих процессов появляется потенциальный барьер (черная кривая 2), -препятствие для дальнейшего перехода свободных зарядов.

Рис.1.11.

Электрические свойства p-n–перехода имеют замечательные особенности. Внешнее электрическое поле может изменять потенциальный барьер. Если напряженность внешнего электрического поля E_вн противоположно напряженности E электрического поля, созданного двойным слоем зарядов, то потенциальный барьер понижается и ток p-n–перехода увеличивается. Это подтверждается простыми опытами.

На схемах (рис.1.12 и рис.1.13) представлены опыты для получения зависимостей тока диода от напряжения и кривые этих зависимостей при изменениях ЭДС Е источников.

Рис.1.12. Свойства диода в прямом направлении.

В прямом направлении диод характеризуется статическим сопротивлением R_пр,ст =U_пр/ I_пр и дифференциальным сопротивлением R_пр,диф =dU_пр/ dI_пр. Диоды считают открытыми при напряжениях U_пр>0.2..0.4В (германиевые) и при U_пр>0.5..0.7В (кремниевые). Дифференциальное сопротивление открытых диодов составляет от 0.5Ом до 100Ом. При проведении опыта важно, чтобы нагревание диода током не привело к его перегреву. Допустимая температура p-n-перехода из кремния 125…150°С, а из германия до 70°С. Так как температура зависит от тока, то в справочниках приводится предельный допустимый постоянный ток диода в прямом направлении I_пр,ср. При этом имеются в виду определенные условия теплоотвода.

Рис.1.13. Свойства диода в обратном направлении.

В обратном направлении ток диода весьма мал вплоть до напряжения пробоя (около 600В на рис.1.13), превышение которого приводит к значительное увеличению тока при небольших изменениях напряжения. Для выпрямительных диодов выход на этот участок приводит к разрушению диодов. Это условие определяет предельный эксплуатационный параметр – допустимое обратное напряжение U_{обр,макс}.

На следующей демонстрации Demo1_1 показаны эксперименты на компьютерной модели диода в программе Electronics Workbench (рис.1.14).

Рис.1.14. Demo1_1.

Здесь источником является функциональный генератор пилообразного напряжения частотой 1Гц и амплитудой 10В. На осцилограмме по горизонтальной оси – напряжение на диоде (канал А, масштаб 0.2В/дел), а по вертикальной оси – ток диода (канал B, масштаб 5мА/дел). Нулевые значения напряжения и тока в центре экрана осциллографа.

Сравнение вольтамперных характеристик диода в прямом и в обратном направлениях показывает, что ток в прямом направлении значительно больше обратного тока. Это означает, что электрическое сопротивление диода постоянному току в прямом направлении значительно меньше, чем в обратном. Говорят, что диод «пропускает ток только в прямом направлении», т.е. он обладает односторонней проводимостью. Кривая ВАХ диода в обоих направлениях, построенная в одном масштабе для обоих направлений приведена на рис. 1.15.

Рис.1.15.

Красной линией изображена ВАХ идеального диода – вентиля, который имеет нулевое сопротивление в прямом направлении и бесконечное – в обратном.

При приближенных расчетах электрических схем, содержащих полупроводниковые диоды часто заменяют ВАХ реального диода такой ВАХ.

При расчетах с помощью программ схемотехнического анализа используется его представление в виде модели на рис. 1.16.

Рис.1.16.

В этой модели:

RS - объемное сопротивление,

I(U) – нелинейный источник тока,

С(U) – нелиненый емкостный элемент.

Нелинейные зависимости описываются формулами, в которые входят параметры (около 30), характеризующие свойства конкретного диода. Температурные зависимости свойств диода отражаются температурными зависимостями параметров модели.

Емкостный элемент модели отражает динамические свойства диода,- зависимость тока от напряжения от скорости изменения напряжения. На переменном токе уравнения состояния диода имеет вид:

u_D(i_D)= RS* i_D+u(i)

i_D =i+i_C

i_C=C(u)* du/dt

Учитывая сложность системы уравнений можно понять, почему для анализа свойств электронных схем с диодами обычно применяются компьютерные программы схемотехнического анализа.

Диоды бывают разных конструктивных исполнений в зависимости от назначения и параметров.

Выпрямительные диоды используются во вторичных источниках питания (ВИП). ВИП - устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения, например синусоидального, в постоянное напряжение. Такое преобразование необходимо применять при питании большинства электронных устройств от электрической сети.

В справочной литературе выпрямительные диоды характеризуются следующими параметрами:

- I_пр , U_пр –прямой ток при заданном прямом напряжении,

- I_{пр,ср, макс} –максимальный выпрямленный ток,

- U_{обр,макс} –максимальное допустимое обратное напряжение,

- I_{обр ,} U_обр –обратный ток при заданном обратном напряжении,

-f _макс- наибольшая частота тока,

-T_мин..T_макс - интервал рабочих температур среды.

В заключении лекции заметим, что рассмотрены главным образом свойства выпрямительного диода. В электронике используется широкий спектр других типов диодов. Главным, объединяющим признаком всех диодов является наличие p-n-перехода. Кроме выпрямительных диодов следует упомянуть наиболее употребительные диоды:

-стабилитроны (будут рассмотрены на лекции №3),

-высокочастотные диоды,

-импульсные диоды,

-варикапы,

-диоды Шоттки,

-туннельные диоды,

-светодиоды,

-фотодиоды,

-оптроны.

Выпрямительные диоды подразделяются на типы по мощности:

-маломощные (<0,3Вт),

-средней мощности (0,3…10Вт),

-большой мощности (>10Вт).